柵極電荷 （Q_g） 表示打開功率半導(dǎo)體器件（例如 MOSFET 和 IGBT）所需的總電荷。開關(guān)速度直接受這一重要參數(shù)的影響。柵極電荷越低，設(shè)備從開到關(guān)的速度就越快。本文研究了柵極電荷的物理起源，分解了其關(guān)鍵組件，并展示了這些組件如何直接控制電力電子應(yīng)用中的開關(guān)速度。

1 問：什么是柵極電荷，它從何而來？
答：為了理解柵極電荷影響開關(guān)速度的原因，讓我們檢查一下 MOSFET 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖1所示，柵極端子通過一層薄薄的絕緣層與通道電氣隔離，形成電容器。這會產(chǎn)生內(nèi)部電容（C_gs 和 C_gd），在開關(guān)期間必須充電和放電。

圖 1.MOSFET電容模型顯示內(nèi)部電容C_gs和C_gd。（圖片來源：Vishay)

打開和關(guān)閉 MOSFET 涉及對這些內(nèi)部電容進(jìn)行充電和放電，其中柵極電荷代表這些電容所需的電荷總和。根據(jù)電容器的基本原理，充電時間取決于電容值和可用電流。需要更多的充電意味著更長的充電時間和更慢的開關(guān)。

這種電荷存儲要求對開關(guān)速度造成了限制。柵極電荷可以定量預(yù)測開關(guān)性能，使工程師能夠確定柵極驅(qū)動器的尺寸并計算開關(guān)損耗。了解柵極電荷橋、器件物理和實(shí)際電路設(shè)計對于高頻應(yīng)用至關(guān)重要。

2 問：構(gòu)成總柵極電荷的組件是什么？
答：柵極總電荷分為三個不同的分量，每個分量在開關(guān)中發(fā)揮特定作用。

柵源電荷 （Q_gs） 表示將柵源電壓從零提高到閾值電壓 （V_th） 所需的電荷。這通常是最小的分量，在晶體管開始導(dǎo)通時建立。充電過程簡單明了，具有線性電壓上升，使其成為最快的開關(guān)階段。

柵極到漏極電荷 （Q_gd），稱為“米勒電荷”，是影響開關(guān)速度和損耗的最重要分量。該電荷克服了漏極電壓轉(zhuǎn)換期間的米勒效應(yīng)。當(dāng)柵極到漏極電容 （C_gd） 在開關(guān)期間產(chǎn)生反饋時，就會發(fā)生米勒效應(yīng)。

這個平臺期持續(xù)時間直接決定了開關(guān)時間和開關(guān)損耗周期。在米勒平臺期間，柵極驅(qū)動器必須在柵極電壓保持恒定的情況下維持電流傳輸，這使得這是柵極驅(qū)動器設(shè)計最具挑戰(zhàn)性的階段。

超越米勒平臺的柵極到漏極電荷在漏極電壓轉(zhuǎn)換完成后為全通道增強(qiáng)提供額外電荷，最大限度地減少導(dǎo)通電阻 （R_DS（on）），從而實(shí)現(xiàn)高效導(dǎo)通。

圖2顯示了柵極電荷特性如何隨工作條件而變化。Miller Plateau持續(xù)時間隨著漏極電壓（V_DS）的提高而延長，而電流水平（I_D）的增加使Plateau電壓向上移動。

圖 2.柵極電荷曲線顯示米勒平臺（中間）如何確定開關(guān)速度。（圖片來源：英飛凌科技)

實(shí)際柵極電荷與數(shù)據(jù)手冊規(guī)格有很大差異。較高的漏極電壓會產(chǎn)生更長的米勒平臺，需要更多的 Q_gd，而較高的電流會使平臺電壓向上移動。這些變化意味著最壞情況下的工作條件必須確定柵極驅(qū)動器的尺寸要求。

3 問：柵極電荷如何控制開關(guān)速度？
答：建立柵極電荷和開關(guān)速度之間聯(lián)系的基本關(guān)系遵循等式 I_g = Q_g/ts_w（柵極電流等于柵極電荷除以開關(guān)時間）。這表明開關(guān)速度受到提供或消除存儲電荷所需時間的限制，因此柵極驅(qū)動器電流能力是開關(guān)性能的主要決定因素。

開啟過程分三個階段進(jìn)行。第1相對Q_gs充電，柵極電壓在導(dǎo)通延遲時間（t_d（on））內(nèi)從零線性上升到閾值電壓。漏極電流開始流動，但漏極電壓仍然很高。由于充電量小，這進(jìn)展很快。

第 2 階段在米勒平臺（最關(guān)鍵的階段）對 Q_gd 進(jìn)行充電，決定開關(guān)速度和損耗。漏極電壓開始下降，產(chǎn)生米勒效應(yīng)反饋，盡管柵極電流持續(xù)存在，但仍會使柵極電壓趨于穩(wěn)定。該上升時間 （t_r） 與 Q_gd 成正比，與柵極電流成反比。這構(gòu)成了開關(guān)損耗周期，因?yàn)楦邏汉碗娏魍瑫r存在于器件兩端。

第 3 階段在漏極電壓達(dá)到最小值后提供完全增強(qiáng)，允許柵極電壓上升到最終驅(qū)動電平。

關(guān)斷遵循相反的順序，柵極驅(qū)動器吸收電流以去除存儲的電荷。米勒平臺在漏極電壓上升期間重新出現(xiàn)，下降時間 （t_f） 遵循相同的電荷電流關(guān)系。

圖3（a）說明了理論開關(guān)順序，顯示了米勒平臺期間柵極電荷消耗發(fā)生的位置。圖3（b）提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明柵極電容變化如何直接影響開關(guān)時序，測量結(jié)果顯示，隨著柵極電容從0.1 nF增加到100 nF，轉(zhuǎn)換速度較慢。

圖 3.（a） 顯示米勒平臺的 MOSFET 開關(guān)波形，（b） 具有變化柵極電容的實(shí)驗(yàn)開關(guān)時間。（圖片來源：ResearchGate)

實(shí)驗(yàn)室測量證實(shí)了理論預(yù)測，電容變化會產(chǎn)生成比例的開關(guān)速度變化。100 ns/div 時基展示了電源應(yīng)用的真實(shí)開關(guān)速度。多個參數(shù)變化顯示出一致的電荷與速度相關(guān)性。

總結(jié)

柵極電荷從根本上決定了 MOSFET 的開關(guān)速度，其中米勒電荷分量主導(dǎo)開關(guān)性能。對于電力電子工程師來說，了解這種關(guān)系對于柵極驅(qū)動器尺寸、開關(guān)損耗計算和頻率優(yōu)化至關(guān)重要。較低的柵極電荷器件可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)和更高的效率，但開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的米勒平臺持續(xù)時間仍然是一個重要因素。