GET！ 如何計算MOSFET非線性電容

最初為高壓器件開發的超級結 MOSFET，電荷平衡現在正向低壓器件擴展。 雖然這極大地降低了 RDS（ON） 和結電容，但電荷平衡使後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 參數以獲得最佳性能變得更加複雜。

MOSFET 三個相關電容不能作為 VDS 的函數直接測量，其中有的需要在這個過程中短接或懸空。

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 的大小發生很大變化。 另一方面，CGD 非線性最大，超級結器件前 100V 內的變化幾乎達到三個數量級。 當 CISS 為VDS = 0 時，也可以看到輕微變化。

最近，瞭解 COSS 的性質及其對高頻開關器件的影響引起關注。 COSS 儲存的電荷和損耗成為配置高頻 AC-DC 轉換器的最大挑戰。 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。 現在，超級結 600 V 器件的這一數值下降到 65 m 。 對於電容來說，對比不同技術 RDS（ON） 值相似器件更為重要。

圖1 為平面器件 SiHP17N60D 與 RDS（ON） 相似但略低的超級結 MOSFET 器件 SiHP15N60E 的電容對比。 請注意，圖中的值按對數座標顯示。

[2] - [9] 通過幾種方式解釋 COSS 非線性的性質，並從新的角度分析對高頻開關的影響。 文獻引入 「小信號」 和 「大信號」 電容一詞進行類比和分析。 除了技術上不準確之外，這個新術語與行業規範沒有任何區別。 所謂大信號電容不過是 MOSFET 行業多年來規定的時間值 COTR [2]。

另一項分析提出用 COSS 隱性串聯電阻，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，與任何串聯電阻值無關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後現象，並且可能因電壓採用的路徑而有所不同。 這種滯後意味著電荷守恆原理不適用功率 MOSFET。

與其挑戰物理學基本定律，不如重新檢查並驗證是否在具體環境下正確應用這種原理更有意義。 調查令人更感興趣的是解答以下問題。


利用眾所周知公式 Q = CV 和 E = 1/2 CV2，答案應該是肯定的。 遺憾的是，這個儲存電荷和能量常用公式並非普遍適用，只在恆定電容的特定情況下才成立。 更基本的關係將電容定義為電荷相對於電壓的變化率，電壓本身是單位電荷能量變化的測量值。 換句話說，基本關係是：



這種電荷和能量的簡單方程式假定電容恆定。 對於非線性電容，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，並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。

[2] 從經驗角度說明，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; 任何累積非線性函數產生另一個非線性函數。 因此，數據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 電容範圍內 COTR與COER 之間相差 16.7%。 同樣，SiHP15N60E的 COTR/ COER 比接近 3.6。 其他超級結器件，電容範圍可加寬到 100：1 以上，COTR/ COER 比可高於 10。 圖 3a 顯示 SiHP15N60E 儲存電荷和能量之間的差。 作為電壓函數，這兩個相關參數的變化率明顯不同。 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，應該基於 COTR 而不是 COER 設計計算。 當然，COER 和能量計算仍然需要計算開關損耗 [1] 。

現在可以明顯看出，任何電壓條件下 COSS 絕對值已經沒有意義或不需要。 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 的設計計算會發現，這種計算是某種情況下通過乘以相關電壓因數換算儲存電荷或能量。 除 COTR 和 COER 之外，包括威世在內，現在 MOSFET 製造商的高壓器件數據手冊提供完整的 EOSS 曲線，如圖 3b 所示。 通常還規定 100V MOSFET 器件 50% 處的QOSS，以説明 48V ZVS 橋進行死區分析。

類似的考慮適用於柵漏電容 CRSS，但其值遠低於 COSS。 根據定義，這個值已經包含在前面提到的 COSS 測量結果中。 事實上，CRSS非線性本質很早以前就已確定為一個問題並在文獻中做了說明。 柵極電荷曲線中的 QGD 分量只不過是導通或關閉期間，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。 MOSFET 導通過程涉及為兩個關閉狀態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隔開的兩個電極。 它們本質上是瞬態的，主要在器件高 dV / dt 條件下開關間隔期間內發揮作用。 等效電路中所示電容表示半導體材料與其電流之間有源電場的相互作用。 只有關係是線性的，這種表示才有意義。 今天的 MOSFET 表現出極端非線性，可以毫不誇張地說，不再有 COSS 或 CRSS 之類的因素。 設計師不必試圖線性化並以某種方式矯正曲線，而專注於直接與儲存電荷和能量相關的基礎工作。