計(jì)算MOSFET非線性電容

　　最初為高壓器件開發(fā)的超級(jí)結(jié)MOSFET，電荷平衡現(xiàn)在正向低壓器件擴(kuò)展。雖然這極大地降低了RDS(ON) 和結(jié)電容，但電荷平衡使后者非線性進(jìn)一步加大。MOSFET有效儲(chǔ)存電荷和能量減少，而且顯著減少，但計(jì)算或比較不同MOSFET參數(shù)以獲得最佳性能變得更加復(fù)雜。

　　MOSFET三個(gè)相關(guān)電容不能作為VDS的函數(shù)直接測(cè)量，其中有的需要在這個(gè)過(guò)程中短接或懸空。數(shù)據(jù)手冊(cè)最終測(cè)量給出的三個(gè)值定義如下：

　　CiSS = CGS + CGD COSS = CDS + CDG CRSS = CGD

　　三者中，輸入電容CGS非線性最小。它是柵極和源極間的電容，不會(huì)隨VDS的大小發(fā)生很大變化。另一方面，CGD非線性最大，超級(jí)結(jié)器件前100V內(nèi)的變化幾乎達(dá)到三個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)CiSS為VDS = 0時(shí)，也可以看到輕微變化。

圖 1. 平面與超級(jí)結(jié)MOSFET電容對(duì)比

　　最近，了解COSS的性質(zhì)及其對(duì)高頻開關(guān)器件的影響引起關(guān)注。COSS儲(chǔ)存的電荷和損耗成為配置高頻AC-DC轉(zhuǎn)換器的最大挑戰(zhàn)。電容損耗與施加電壓的平方成正比。參考文獻(xiàn) [1] 指出，同一電容額定電壓550 V與12 V相比，儲(chǔ)存的能量及損耗大出2100倍。重點(diǎn)降低RDS(ON)，導(dǎo)通損耗顯著下降，但COSS下降不成正比。例如，早期TO-220封裝600 V MOSFET最低RDS(ON)為340m ?，F(xiàn)在，超級(jí)結(jié)600 V器件的這一數(shù)值下降到65 m 。對(duì)于電容來(lái)說(shuō)，對(duì)比不同技術(shù)RDS(ON)值相似器件更為重要。圖1為平面器件SiHP17N60D與RDSON相似但略低的超級(jí)結(jié)MOSFET器件SiHP15N60E的電容對(duì)比。請(qǐng)注意，圖中的值按對(duì)數(shù)坐標(biāo)顯示。

　　[2] - [9]通過(guò)幾種方式解釋COSS非線性的性質(zhì)，并從新的角度分析對(duì)高頻開關(guān)的影響。文獻(xiàn)引入“小信號(hào)”和“大信號(hào)”電容一詞進(jìn)行模擬和分析。除了技術(shù)上不準(zhǔn)確之外，這個(gè)新術(shù)語(yǔ)與行業(yè)規(guī)范沒(méi)有任何區(qū)別。所謂大信號(hào)電容不過(guò)是MOSFET行業(yè)多年來(lái)規(guī)定的時(shí)間值COTR [2] 。

　　另一項(xiàng)分析提出用COSS隱性串聯(lián)電阻，稱為ROSS，來(lái)表示非線性電容所有原因不明的損耗[3]。這與明確電容充放電損耗完全由儲(chǔ)存能量來(lái)定義，與任何串聯(lián)電阻值無(wú)關(guān)的基本電路理論相矛盾。在最近同行評(píng)審會(huì)議出版物[4]和[5]中，有人提出COSS儲(chǔ)存的電荷和能量存在滯后現(xiàn)象，并且可能因電壓采用的路徑而有所不同。這種滯后意味著電荷守恒原理不適用功率MOSFET。

　　與其挑戰(zhàn)物理學(xué)基本定律，不如重新檢查并驗(yàn)證是否在具體環(huán)境下正確應(yīng)用這種原理更有意義。調(diào)查令人更感興趣的是解答以下問(wèn)題-

　　如果兩個(gè)電容并聯(lián)，充電達(dá)到相同電壓并儲(chǔ)存完全相同的電荷，是否必然儲(chǔ)存相同能量?

　　利用眾所周知公式Q = CV和E = ? CV2，答案應(yīng)該是肯定的。遺憾的是，這個(gè)儲(chǔ)存電荷和能量常用公式并非普遍適用，只在恒定電容的特定情況下才成立。更基本的關(guān)系將電容定義為電荷相對(duì)于電壓的變化率，電壓本身是單位電荷能量變化的測(cè)量值。換句話說(shuō)，基本關(guān)系是

　　C = dQ/dV 和V = dE/dQ

　　這種電荷和能量的簡(jiǎn)單方程式假定電容恒定。對(duì)于非線性電容，必須分別利用隨電壓累積的電容和電荷求出電荷和能量。為了進(jìn)一步說(shuō)明，請(qǐng)考慮圖2中的兩個(gè)電容。電容CREF建立基準(zhǔn)。另一電容CV從1.5 x CREF到0.5 x CREF呈線性變化。在100V處，它們具有相同電荷。這一點(diǎn)從兩個(gè)電容的C x V部分可以很清楚地看出來(lái)，并且得到隨電壓累積電容值的證實(shí)。而儲(chǔ)存的能量完全不同。如果儲(chǔ)存的電荷隨電壓累積，則100V處CREF僅具有83.3%的儲(chǔ)存能量。同時(shí)可以看出75V處CV儲(chǔ)存電荷高10%，而能量與CREF相同。

　　圖2. 恒定與可變電容對(duì)比

　　MOSFET制造商多年來(lái)一直采用這些累積，但不是將其指定為電荷和能量，而是將它們轉(zhuǎn)換為兩種不同的等效電容。

　　COTR – 充電到80 % VDSS時(shí)，儲(chǔ)存電荷與COSS相同的固定電容

　　COER – 充電到80 % VDSS時(shí)，儲(chǔ)存能量與COSS相同的固定電容

　　[2]從經(jīng)驗(yàn)角度說(shuō)明，80%額定電壓的“有效”COSS與時(shí)間等效電容相同。請(qǐng)注意，COTR和COER本身是電壓的函數(shù);任何累積非線性函數(shù)產(chǎn)生另一個(gè)非線性函數(shù)。因此，數(shù)據(jù)手冊(cè)將其定義為某種特定電壓時(shí)的變化，如80%額定VDS或400 V。事實(shí)上，同一COSS存在兩個(gè)不同“等效”值，一個(gè)表示儲(chǔ)存電荷，另一個(gè)表示儲(chǔ)存能量，這或多或少解答了這個(gè)問(wèn)題。

　　COTR和COER不僅不同，而且其差異程度還可以用作非線性測(cè)量值。在我們的例子中，1.5:0.5電容范圍內(nèi)COTR與COER之間相差16.7%。同樣，SiHP15N60E的COTR / COER 比接近3.6。其他超級(jí)結(jié)器件，電容范圍可加寬到100:1以上，COTR / COER比可高于10。圖3a顯示SiHP15N60E儲(chǔ)存電荷和能量之間的差。作為電壓函數(shù)，這兩個(gè)相關(guān)參數(shù)的變化率明顯不同。在所有橋路配置中，尤其是ZVS模式下工作的橋路配置，需要考慮超大COTR以及所具有的儲(chǔ)存總電荷。MOSFET輸出電容放電與斷電截然不同，應(yīng)該基于COTR而不是COER設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)然，COER和能量計(jì)算仍然需要計(jì)算開關(guān)損耗 [1]。

　　現(xiàn)在可以明顯看出，任何電壓條件下COSS絕對(duì)值已經(jīng)沒(méi)有意義或不需要。與電路相互作用的不是電容本身，而是定義行為的儲(chǔ)存電荷和能量。如果觀察任何涉及COSS的設(shè)計(jì)計(jì)算會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種計(jì)算是某種情況下通過(guò)乘以相關(guān)電壓因子換算儲(chǔ)存電荷或能量。除COTR和COER之外，包括威世在內(nèi)，現(xiàn)在MOSFET制造商的高壓器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供完整的EOSS曲線，如圖3b所示。通常還規(guī)定100V MOSFET器件50%處的QOSS，以幫助48V ZVS橋進(jìn)行死區(qū)分析。

　　圖3a. COSS 儲(chǔ)存電荷和能量與電壓的關(guān)系

圖3b. 電容與儲(chǔ)存能量與電壓的關(guān)系

　　類似的考慮適用于柵漏電容CRSS，但其值遠(yuǎn)低于COSS。根據(jù)定義，這個(gè)值已經(jīng)包含在前面提到的COSS測(cè)量結(jié)果中。事實(shí)上，CRSS非線性本質(zhì)很早以前就已確定為一個(gè)問(wèn)題并在文獻(xiàn)中做了說(shuō)明。柵極電荷曲線中的QGD分量只不過(guò)是導(dǎo)通或關(guān)閉期間，柵極需要注入或清除CRSS儲(chǔ)存的總電荷。請(qǐng)注意，柵極電荷曲線分段線性部分與任何電容的非線性無(wú)關(guān)。MOSFET導(dǎo)通過(guò)程涉及為兩個(gè)關(guān)閉狀態(tài)下不同電壓的電容器充電。

　　在處理MOSFET時(shí)，需要記住它們的電容不包括介質(zhì)隔開的兩個(gè)電極。它們本質(zhì)上是瞬態(tài)的，主要在器件高dV/dt條件下開關(guān)間隔期間內(nèi)發(fā)揮作用。等效電路中所示電容表示半導(dǎo)體材料與其電流之間有源電場(chǎng)的相互作用。只有關(guān)系是線性的，這種表示才有意義。今天的MOSFET表現(xiàn)出極端非線性，可以毫不夸張地說(shuō)不再有COSS或CRSS之類的因素。設(shè)計(jì)師不必試圖線性化并以某種方式矯正曲線，而專注于直接與儲(chǔ)存電荷和能量相關(guān)的基礎(chǔ)工作。

     作者： Sanjay Havanur， Vishay Siliconix

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] “Beware of Zero Voltage Switching” How2Power, April 2016,

　　[2] “More Realistic Characterization of Power MOSFET Output Capacitance COSS”, International Rectifier AN-1001, 1999.

　　[3] “Coss related energy loss in power MOSFETs used in zero-voltage-switched applications”, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2014　[4] "Origin of Anomalous Hysteresis in Resonant Converters with Superjunction FETs”, IEEE Transactions on Electron Devices 62, no. 9 (2015)[5] "Coss hysteresis in advanced superjunction MOSFETs." 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)