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理解MOSFET時間相關及能量相關輸出電容Coss(tr)和Coss(er)

作者:劉松時間:2019-03-29來源:電子產品世界收藏

Understanding time-related and energy-related output capacitances Coss(tr) and Coss(er)

本文引用地址:http://www.ghlhk.icu/article/201903/399038.htm

劉松
(萬國半導體元件(深圳)有限公司,上海 靜安 200070)

      摘要:本文論述了功率MOSFET數據表中靜態Coss、時間相關Coss(tr)和能量相關Coss(er)的具體定義以及測量的方法,特別說明了在實際的不同應用中,采用不同的輸出電容的原因。諧振變換器必須采用時間相關輸出電容Coss(tr)來計算,硬開關變換器必須采用能量相關輸出電容Coss(er)來計算
       關鍵詞:輸出電容;

  0 引言

  功率MOSFET的數據表中,有些產品如的高壓功率MOSFET通常會列出輸出電容的三個特征值:靜態輸出電容Coss、時間相關輸出電容Coss(tr)和能量相關輸出電容Coss(er),而低壓和中壓的產品以及平面的高壓MOSFET很少列出后面的二個電容值,這主要和不同工藝的MOSFET的結構和電容特性有關。許多研發的工程師并不了解這些電容的實際含義,因此在實際的應用中也不清楚在什么的條件下選擇哪一個電容值,本文將詳細的說明這些問題。
  1 靜態輸出電容Coss

  數據表1中列出的靜態輸出電容Coss通常是在一個固定的偏置電壓下的測試值,同時數據表還會列出Coss隨V DS 電壓變化的曲線如圖1所示。從曲線可以看到,隨著偏置電壓V DS 的增加,Coss會逐漸的降低。
  結構的高壓功率MOSFET,Coss會急劇的降低到一個值,然后再緩慢的降低。Crss會急劇的降低到一個最小值,然后再緩慢的增加,如圖2,表2所示。

  靜態電容的測試電路所圖3所示,低壓和平面結構的功率MOSFET在0 V偏置電壓條件下,Coss比額定高偏置電壓下的容值大數倍或數十倍,而對于超結結構的高壓MOSFET,要大數百倍。
  如:AON6162,Coss(0 V)/Coss(30 V)=3.2;,Coss(0 V)/Coss(400 V)=500。超結結構Coss和Crss的這種特性,會帶來許多應用的問題[1]

  靜態電容的測試條件:VGS=0 V,不同的產品設定的VDS偏置電壓不相同,通常是50%或80%的BVDSS,不同的公司,產品測試時使用的頻率也不相同,常用的測試頻率有:250 KHz、1 MHz或4 MHz。電路中,CK的取值為1 μF、2 μF或其它值。二個串聯電阻取值為1 M、620 K或其它值。80%×BVDSS的Coss靜態電容,就是偏置電壓VDS=80%×BVDSS時,Coss的電容值。
  2 時間相關輸出電容Coss(tr)
  時間相關輸出電容Coss(tr)是指偏置電壓從0上升至80%的BVDSS時,在充電時間相同的條件下,折算成一個等效的固定電容值,其含義和80%×BVDSS的Coss靜態電容具有不同的值、不同的含義。通常,80%×BVDSS是一個常用的測試條件。
  測試電路如圖4所示,測試的器件為Q2,如果Q2的BVDSS=500 V,當Q1加驅動電壓,Q1開通,電源VDD通過R對Q2充電,通過示波器測量的波形,可以讀出VDS電壓從0上升到400 V所對應的時間tc:

  若R=100 kΩ,折算成時間相關等效電容Coss(tr)為:

  是一個等效電容,沒有考慮電容隨電壓變化的過程,只考慮前后整體的等效時間,在一些諧振變換器的電源結構中,如LLC變換器,用這個電容值計算上、下橋臂所需要的,比數據表中靜態的Coss更準確。時間相關的輸出電容值有些公司會用Coss(eff)來表示。實際工作的電壓變化的時候,這個等效的電容值也不會相同。

  3 能量相關輸出電容Coss(er)
  MOSFET的Coss會產生,在正常的硬開關過程中,關斷時VDS的電壓上升,電流ID對Coss充電,儲存能量;在MOSFET開通的過程中,由于VDS具有一定的電壓,那么Coss中儲存的能量將會通過MOSFET放電,產生損耗。
  一些低輸入電壓的應用,如筆記本電腦主板的Buck變換器輸入電壓為19 V,通訊系統板極Buck變換器輸入電壓為12 V,由于工作電壓比較低、工作頻率高,Coss產生的損耗較小,相對于跨越線性區產生的開關損耗通常可以忽略不計,因此在低壓功率MOSFET的數據表中,通常不會列出Eoss。
  常用的AC-DC變換器如Flyback結構的電源系統,輸入的電壓范圍為100 VDC~380 VDC,甚至更高的輸入電壓,Coss產生的損耗所占的比例非常大,甚至成為主導因素,因此在高壓功率MOSFET的數據表中,列出Eoss的值。目前有些中壓的功率MOSFET的數據表中也列出了Eoss的值。
  許多資料中,理論的Coss放電產生的損耗為:

1.png

  從上式可以看到,Coss放電產生的損耗和容值、頻率成正比,和電壓的平方成正比。在功率的數據表中,Coss對應產生的功耗就是Eoss[2-4]
  由于功率MOSFET的電容特性是非線性的,Coss容值會隨著VDS電壓變化,基于Coss的Eoss也是非線性的,因此,直接使用上述傳統電容儲能的公式計算電容的放電損耗是不正確的。特別是超結結構的高壓MOSFET,在不同的電壓下,輸出電容變化的范圍非常大,因此就必須要定義能量相關輸出電容,方法如下。
  (1)對Coss的曲線積分,可以得到Qoss:

1.png

  如圖5所示,VDS為30 V時對應的Qoss就是圖中Coss曲線、水平X軸、VDS=30 V垂直線和垂直Y軸所包圍的面積。在不同的電壓下得到不同的Qoss,就可以作出Qoss-VDS曲線。
  (2)那么可否根據Qoss-VDS的曲線,再對Qoss積分,就可以得到Eoss呢?

1.png

1.png

  公式中的電容Coss隨VDS電壓變化,不同的電壓下容值不同,因此不能直接使用上面積分的方法來計算Eoss。
  考慮到電容Coss隨VDS電壓變化,為了計算VDS-Eoss曲線,可以使用數值法,進行工程上的估算:VDS電壓從0開始,使用小的電壓增幅間隔,例如:0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V、3.5 V、??、60 V,在不同的電壓下可以得到相應的電容值。當電壓從VDS(n)增加到VDS(n+1)時,例如從1 V增加到1.5 V,增加的Qoss可以由下式計算:

  增加的能量由下式計算:

  因此,V DS(n+1) 對應的能量為:

1.png

  上述數值方法中使用的步長越小,所得到的結果越精確。使用上述方法,計算得到AON6162的VDS-Eoss曲線如圖6所示,使用同樣方法,可以得到IPP60R04C7的VDS-Eoss曲線,如圖7所示。
  能量相關輸出電容Coss(er)是指偏置電壓從0上升至80%的BVDSS時,在儲存的能量相等的條件下,折算成一個等效的固定電容值,根據Eoss曲線,BVDSS=500 V,查出VDS=400 V的Eoss(400 V),然后使用下面公式就可以得到這個電容值:

1.png

  不同產品的數據表使用的標注電壓條件并不同,有些使用80%×BVDSS,有些使用60%×BVDSS,因此,能量相關輸出電容只是在相應的電壓條件下的等效值。實際應用的時候,要根據實際的工作電壓,折算成對應的電容值,若只是計算損耗,就直接使用Eoss曲線查出對應的損耗值。
  高壓超結結構的功率MOSFET的Coss變化非常大,0 V偏置電壓條件下的Coss比80%×BVDSS偏置電壓下的容值大數百倍。使用0 V偏置電壓條件下的靜態電容Coss計算開關損耗,會遠遠大于實際產生的開關損耗;而使用80%×BVDSS偏置電壓條件下的靜態電容Coss計算開關損耗,會遠遠小于實際產生的開關損耗,因此就要用能量相關輸出電容Coss(er)來計算開關損耗,在硬開關電源結構中,所得到的結果更為準確。同樣的,實際工作的電壓變化的時候,這個等效的電容值也不會相同,所產生的開關損耗也不相同。
  4 結論

  (1)功率MOSFET的靜態輸出電容Coss是在一定的偏置電壓VDS條件下的輸出電容值。
  (2)時間相關輸出電容Coss(tr)是在一定的偏置電壓VDS條件下,時間等效的輸出電容值,在一些諧振變換器的電源結構如LLC變換器,用這個電容值計算死區時間更準確。
  (3)能量相關輸出電容Coss(er)是在一定的偏置電壓VDS條件下,能量等效的輸出電容值,特別是超結結構的高壓功率MOSFEET,在硬開關的使用中,使用這個值計算輸出電容產生的開關損耗更為準確。
  (4)靜態輸出電容Coss、時間相關輸出電容以及能量相關輸出電容Coss(er)都和偏置電壓VDS相關,隨著VDS的變化而變化,應用中要根據實際的電壓來進行折算。

  參考文獻
  [1] 劉松,張龍等,超結型高壓功率MOSFET結構工作原理,今日電子:2013.11(243):30-31
  [2] 劉松,理解功率MOSFET的開關損耗,今日電子:2009.10:52-55
  [3] 劉松,通訊系統中超高效率Buck變換器設計考慮,今日電子:2009.02:70-71
  [4] 劉松,功率MOSFET應用問題分析基礎篇,今日電子:2014.12(256):43-46
  作者簡介:
  劉松,碩士,現任職于萬國半導體元件(深圳)有限公司應用總監,主要研究方向:開關電源、電力電子以及功率元件的應用和研究工作,曾獲得廣東省科技進步二等獎一項,在各類學術期刊上發表學術論文60余篇。

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第62頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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