栅电荷为什么要测试？

1.定义与曲线图
        栅电荷参数QG、QGE、QGC是对IGBT的极间寄生电容更为简化的一种计算方法，可以对与寄生电容有关的电路进行定量计算，而Cies、Coes、Cres一般用于定性分析。
        QG、QGE、QGC属于开关参数，也属于动态参数。所谓栅电荷，是指将IGBT的寄生电容充满电所需要的电荷。可见，栅电荷不仅包括C-C、G-E 电荷，还包括C-E 电荷。栅电荷的单位是nC。
        C(库伦)是电 荷的单位，用在此处太大了。N 表示10-9，读作“纳”。
        QG：Total gate charge(Turn-On)，（开通）总栅电荷。总栅电荷是G-E 电压从OV 升至15V时所需要的电荷总量。换言之，是使IGBT从关断到饱和导通期间，将极间寄生电容充满电所需要的电荷总量。
        QGE：Gate-Emitter charge (Turn-On)，（开启）栅—射电荷。栅—射电荷是G-E 电压从0V 升至IGBT开始导通(VGE(th)，阈值电压）所需要的电荷总量。IGBT的VGE(th)一般在5V左右，视具体产品而定。此时，Cge已经基本被充满，Cgc则是刚刚开始充电。
        QGC：Gate-Collector  charge( Turn-On)，（开通）栅—集电荷。栅—集电荷是G-E电压从VGE(th)升至IGBT 饱和导通所需要的电荷总量。这一期间，栅极电流主要对CGC充电，VGE电压基本保持不变。IGBT 饱和导通并不需要15V，一般为10V左右；但是因为VGC的存在，这种饱和导通并不可靠，故一般将lGBT饱和导通所需要的电压定为15V。这一期间也是IGBT的放大区所在的区间。同样是在这一区间，IGBT的C-E问电压将从电源电压附近跌落到 VCE( sat），集电极电流也将达到而定电流值。
       栅电荷可以用比较简单的电路进行测量，如图1所示。这是依据 IEC 60747-9标准设计的简化电路，稍微麻烦一点的就是我们需要一台具备恒流特性的信号源E。电路的其他参数如下。

图1 栅电荷的简化测试电路

       VCC=0.5V。推荐值，也可以采用电压，但会影响栅电荷的测定结果。主要影响QGC，对QGE几乎没有影响，当然也会影响QG。
       VGE(P-P)=±15V。P-P表示峰值，15V，测试时也可以仅用正脉冲。
       IC=IC100。忽略VGE(sat)，根据欧姆定律电路不难不难算出RL的数值。
       图2是IHW20N120R2的栅电荷曲线图。QG是根据QG＝ IG × t计算出来的，t为充电时间。

图2 栅电荷曲线图实例(IHW20N120R2)

       t的确定需要用示波器测量IC、IG、VGE的波形，如图3所示。如果仅仅是确定时间t，只需要测量IG的波形即可。图3是IGBT 打开的过程，的过程与之大致相反。

图3 栅电荷简化测试波形示意图

      ·t0时间段：栅极电 流IG对输入 电容CGE充 电，G-E 电压VGE增大至VGE(th）。由于栅极电阻比较小，充电电流可能达到几A甚至更大（与IGBT及模块的电流规格关系密切）。此时，VGE仍低于VGE（th），并没有集电极电流流过（忽略漏电流），VGE与VCC相等。
      ·ti时间段：VGE达到并超过VGE(th)，最后达到平顶电压VGE（pl），IGBT的导通过程开始，IC逐渐增大并达到满负载电流IC(load)。这里将体二极管视为理想二极管（反向恢复时间为零），否则因为反向恢复电流的存在，IC会超过IC(load)；而且，续流二极管直到t2部分的开始阶段仍有反向恢复电流流过，C-E电压也不会下降得那么快。
      ·t2时间段：VGE维持为VGE（pl）不变。当续流二极管关断后，VCE开始快速下降。此时的dVCE/dt比较大，即电压变化率比较大。
      ·t3时间段：当VCE降至导通压降VGE(th)后继续下降时，米勒电容CGE增大并被IC充电，VGE仍旧维持在VGE(pl)水平。
      ·t4时间段：在t4时间段的初期，IGBT完全导通，CGE逐渐被电荷充满，VGE则按指数级增大至栅极全控电压VGE(on），IG按指数形式衰减到0，而VCE达到了V CE(sat）。
2.栅电荷的实际意义
      栅电荷参数的实际意义是用相对简单的方法来计算驱动功率以及驱动电流，如图4所示。

图4  考虑到内部等效参数的栅极驱动电路

       ·IGBT的驱动功率(PG)可以用下式进行简便计算： 

 PG=QG×(VG(on)—VG(off)）׃sw

       式中，PG为栅极驱动功率，单位为W；QG为栅电荷，需要注意的是它的单位，用C而不是nC；VG(on)为开通电压，指驱动电路的输出峰值电压，如+15V；VG(off)为关闭电压，指驱动电路的反向输出峰值电压，理想条件下与开通电压的数值相等而电位相反，如-15V；ƒsw为工作频率，驱动信号的开关频率，单位为Hz。
      ·栅极平均驱动电流IG可以用下式进行简便计算：

IG＝QG׃sw

      ·栅极峰值电流IG(P-P)可以用下式进行简便计算：

      式中，IG为栅极峰值驱动电流，单位为A； RG为外部栅极电阻，单位为Ω，一般取数Ω到数十Ω；RG（in）为内部栅极电阻，栅极等效、引线、分布电阻，单位为Ω。
      IGBT工作在高速开关条件时，驱动十分重要。足够的翰蔔勘率、驱动电压、驱动电流是保证按照设计条件可靠开关的基本条件，这三者缺一不可。而为了减小开关损耗，足够的栅极峰值电 流显得更为重要，因为足够的栅极峰值驱动电流能够迅速将栅极等效电容充满，缩短IGBT的开通与关断时间。图5可以从一个侧面说明峰值电流驱动能力在考量IGBT 驱动特性时的重要性，而栅极平均驱动电流更多的是考量驱动功率的大小。

图5 栅极驱动电流波形

      一般的技术手册中，制造商都不会给出RG（in），估算时可以认为RG=2RG（in），如果制造商给出推荐RG则更为实用。
      一般手册给出的栅极极限电压VGES均为±20V，实际的测试值往往是这个数值的几倍。在限定的栅极驱动电压范围内，由于栅极电容、电阻的存在，往往会导致驱动电流不足，即驱动功率实际上并未得到保证。这在没有专门的驱动电路或者无源驱动的电路中，因为栅极驱动电压而限制驱动电流的问题更为突出。这时候提高栅极驱动电压往往是有效而安全的，因为无源驱动电路的功率有限，提高其输出电压一般不会导致IGBT的损坏。在实际应用中，将栅极驱动电压提高至±40~±60V也是安全的，但前提是对VGES进行了实际的测试。