計算MOSFET非線性電容

　　最初為高壓器件開發(fā)的超級結(jié)MOSFET，電荷平衡現(xiàn)在正向低壓器件擴展。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一步加大。MOSFET有效儲存電荷和能量減少，而且顯著減少，但計算或比較不同MOSFET參數(shù)以獲得最佳性能變得更加復(fù)雜。

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

　　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，不會隨VDS的大小發(fā)生很大變化。另一方面，CGD非線性最大，超級結(jié)器件前100V內(nèi)的變化幾乎達到三個數(shù)量級。當CiSS為VDS = 0時，也可以看到輕微變化。

圖 1. 平面與超級結(jié)MOSFET電容對比

　　最近，了解COSS的性質(zhì)及其對高頻開關(guān)器件的影響引起關(guān)注。COSS儲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 [1] 指出，同一電容額定電壓550 V與12 V相比，儲存的能量及損耗大出2100倍。重點降低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 。現(xiàn)在，超級結(jié)600 V器件的這一數(shù)值下降到65 m 。對于電容來說，對比不同技術(shù)RDS(ON)值相似器件更為重要。圖1為平面器件SiHP17N60D與RDSON相似但略低的超級結(jié)MOSFET器件SiHP15N60E的電容對比。請注意，圖中的值按對數(shù)坐標顯示。

　　[2] - [9]通過幾種方式解釋COSS非線性的性質(zhì)，并從新的角度分析對高頻開關(guān)的影響。文獻引入“小信號”和“大信號”電容一詞進行模擬和分析。除了技術(shù)上不準確之外，這個新術(shù)語與行業(yè)規(guī)范沒有任何區(qū)別。所謂大信號電容不過是MOSFET行業(yè)多年來規(guī)定的時間值COTR [2] 。

　　另一項分析提出用COSS隱性串聯(lián)電阻，稱為ROSS，來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存能量來定義，與任何串聯(lián)電阻值無關(guān)的基本電路理論相矛盾。在最近同行評審會議出版物[4]和[5]中，有人提出COSS儲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題-

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

　　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，這個儲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于電壓的變化率，電壓本身是單位電荷能量變化的測量值。換句話說，基本關(guān)系是

　　C = dQ/dV 和V = dE/dQ

　　這種電荷和能量的簡單方程式假定電容恒定。對于非線性電容，必須分別利用隨電壓累積的電容和電荷求出電荷和能量。為了進一步說明，請考慮圖2中的兩個電容。電容CREF建立基準。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。這一點從兩個電容的C x V部分可以很清楚地看出來，并且得到隨電壓累積電容值的證實。而儲存的能量完全不同。如果儲存的電荷隨電壓累積，則100V處CREF僅具有83.3%的儲存能量。同時可以看出75V處CV儲存電荷高10%，而能量與CREF相同。

　　圖2. 恒定與可變電容對比

　　MOSFET制造商多年來一直采用這些累積，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，儲存電荷與COSS相同的固定電容

　　COER – 充電到80 % VDSS時，儲存能量與COSS相同的固定電容

　　[2]從經(jīng)驗角度說明，80%額定電壓的“有效”COSS與時間等效電容相同。請注意，COTR和COER本身是電壓的函數(shù);任何累積非線性函數(shù)產(chǎn)生另一個非線性函數(shù)。因此，數(shù)據(jù)手冊將其定義為某種特定電壓時的變化，如80%額定VDS或400 V。事實上，同一COSS存在兩個不同“等效”值，一個表示儲存電荷，另一個表示儲存能量，這或多或少解答了這個問題。

　　COTR和COER不僅不同，而且其差異程度還可以用作非線性測量值。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儲存電荷和能量之間的差。作為電壓函數(shù)，這兩個相關(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)計計算。當然，COER和能量計算仍然需要計算開關(guān)損耗 [1]。

　　現(xiàn)在可以明顯看出，任何電壓條件下COSS絕對值已經(jīng)沒有意義或不需要。與電路相互作用的不是電容本身，而是定義行為的儲存電荷和能量。如果觀察任何涉及COSS的設(shè)計計算會發(fā)現(xiàn)，這種計算是某種情況下通過乘以相關(guān)電壓因子換算儲存電荷或能量。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橋進行死區(qū)分析。

　　圖3a. COSS 儲存電荷和能量與電壓的關(guān)系

圖3b. 電容與儲存能量與電壓的關(guān)系

　　類似的考慮適用于柵漏電容CRSS，但其值遠低于COSS。根據(jù)定義，這個值已經(jīng)包含在前面提到的COSS測量結(jié)果中。事實上，CRSS非線性本質(zhì)很早以前就已確定為一個問題并在文獻中做了說明。柵極電荷曲線中的QGD分量只不過是導(dǎo)通或關(guān)閉期間，柵極需要注入或清除CRSS儲存的總電荷。請注意，柵極電荷曲線分段線性部分與任何電容的非線性無關(guān)。MOSFET導(dǎo)通過程涉及為兩個關(guān)閉狀態(tài)下不同電壓的電容器充電。

　　在處理MOSFET時，需要記住它們的電容不包括介質(zhì)隔開的兩個電極。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，可以毫不夸張地說不再有COSS或CRSS之類的因素。設(shè)計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：

　　[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)