MOSFET中电容的计算

作者:慕青      发布时间:2021-04-18      浏览量:0
自30多年前首次发射以来,MOSFET已

自30多年前首次发射以来,MOSFET已成为高频开关电源转换的主流。这项技术一直在稳步改进,我们已经有了一个用于毫米波rdson值的低电压MOSFET。对于较高的电压器件,它正在快速接近个位数。MOSFET技术实现这些改进的两个主要进展是沟槽栅和电荷平衡结构[1]。电荷平衡技术最初是为能产生超结(超结)MOSFET的高压器件而发展起来的,但现在它也扩展到了低电压。虽然这种技术大大减少了Rdson和所有连接电容,但也使后者更加非线性。MOSFET的有效存储电荷和能量确实降低了,而且大大降低了,但是计算这些参数或比较不同的MOSFET的最佳性能已经成为一件相当复杂的事情。与MOSFET相关的三个电容器的基本定义如图1a和1b所示,测量这些电容器作为VDS的函数并不是一项简单的任务,其中有些需要短路或开路(左浮动)。最后在产品数据中测量和给出了以下三个定义的值:

Ciss=CGS+CGDCOSS=CDS+CDGCRSS=CGD。

在这三个值中,输入电容CGS的非线性最小。它是栅结构与源之间的电容,不随VDS的变化而变化。另一方面,CGD是非常非线性的,对于超结器件来说,前100 V的变化范围几乎是三个数量级。它还有助于查看在VDS=0下CISS的小步长。

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图2。平面MOSFET与超结MOSFET

的电容比较[4]-[9]试图从多个方面解释Coss的非线性特性,并对其对高频开关的影响提出新的看法。在对Coss曲线进行积分、模拟等复杂过程后,大多数文献都重新确认了电容的非线性特性。本文介绍了“小信号”电容和“大信号”电容这两个术语,并对它们进行了模拟和分析。除了在技术上不正确外,这些新术语与行业实践观点没有任何区别。可见,所谓的大信号电容只不过是一个随时间变化的COTR值,自文献[4]发表以来,MOSFET行业已对此进行了多年的标准化。精细模拟结果与产品数据值之间的显著差异仍在MOSFET产品描述和批量生产所涉及的公差范围内。另一种由

提出的分析方法提出了与Coss串联的隐藏电阻,即Ross,用于描述与非线性电容器相关的所有未知损耗(见参考文献)。[10]。然而,这与基本电路理论相矛盾,该理论明确指出电容器的充放电损耗完全取决于它们所储存的能量,而与任何串联电阻的值无关。没有人对Ross在半导体一级提出任何解释或实验验证,本文提供的波形清楚地显示了导电MOSF体二极管,这为这些损耗提供了一个简单的解释,即使不是太奇怪。实际上,在分析任何带感应负载的电桥电路时,体二极管导通是一个基本考虑因素。最近出版的其他同侪审查出版物(参考文献)。[11]和[12]),有人认为COSS中储存的电荷和能量是延迟的,并且在不同的电压路径下可能发生变化。这种滞后的意义在于电荷守恒原理不适用于功率MOSFET。

不是挑战物理的基本定律,而是重新检查它们并验证它们在正确的地方正确使用,这是更有意义的。调查提出了一个令人费解的谜团,因此它可能有点有趣--如果两个电容器并联,充电到相同的电压,并且保持完全相同的存储电荷,它们是否也会根据众所周知的公式Q=CV和E,得出同样的能量存储量?

。简历2,答案应该是肯定的。即使电容是非线性的,这个结论在任何电压下都是成立的。不幸的是,常见的存储电荷和能量的公式通常不成立,它们只适用于恒电容的特殊情况。更基本的关系是,电容被定义为电荷转换的变化率(W.R.T.)。电压本身被定义为单位电荷能量变化的度量。换句话说,基本关系是。

C=dq/dV和V=de/dq

有一个隐含的假设,即简单的电荷和能量方程中存在静态电容。对于非线性电容器来说,电荷和能量必须分别通过电容和电荷在电压上的积分得到,为了进一步说明这一点,请考虑图3中描述的两个电容器,其参考值是由电容器CREF提供的。另一个电容CV在1.5×CREF到0.5×CREF之间线性变化。在100伏时,它们携带同样的电荷。通过观测两个电容器的CxV面积,可以清楚地看出这一点,也可以通过将电容值积分到电压上来加以验证。然而,储存的能量是完全不同的。如果将存储的电荷集成到电压上,则可以发现CREF只有83。3%的能量储存在100 V,你也可以看到,在75V,CV存储比CREF多10%的电荷,但两者的能量是相同的。

图3.比较恒电容和变电容

MOSFET制造商多年来一直在做这些积分点,但没有将它们作为电荷和能量分配,而是将它们转换成两个不同的等效电容器。

COTR--当充电到80%VDSS时,具有与Coss相同存储电荷的固定电容;

Coer--当充电到80%VDSS时,具有与Coss相同存储能量的固定电容。在

文献[4]中给出了80%额定电压下“有效”Coss的经验值,这与与时间有关的等效电容相同。然而,应用程序指令并没有区分COTR和COER,它们已经变得非常不同,需要单独处理。注意,COTR和COR本身都是电压函数;任何非线性函数的积分都会导致另一个非线性函数。因此,产品信息将它们定义在特定电压以下,例如额定VDS的80%或400 V。对于相同的COSS有两个不同的“等效”值,一个用于存储电荷,另一个用于能源,这或多或少是对上述问题的答案。

COTR和COR不仅不同,而且它们之间的差异程度也可以作为衡量非线性的一个指标。在我们的例子中,当电容范围为1.5≤0.5时,COTR与COR的差值为16.7%。对于SiHP15N60E,相同的COTR/Coer比几乎为3.6。对于其它超结器件,电容范围可能大于100≤1,COTR/Coer的比值可能大于10。图4A突出了SiHP15N60E中存储电荷与能量之间的差异。作为电压的函数,这两个相关参数的变化率有显着性差异。在所有桥接配置中,都需要考虑到超大型COTR和由此产生的超大型总存储费用,特别是在ZVS模式下运行的桥接配置。MOSFET的输出电容放电不同于能量耗散(失能).它应该按照COTR而不是COR来设计和计算。当然,仍然需要COR和能量来计算开关损耗(参考文献)。[3]。

现在应该很清楚,Coss在任何电压下的绝对值已不再有意义。用户不再需要它了。它本身并不是与电路相互作用的电容,而是定义行为的存储电荷和能量。如果你看一下涉及COSS的任何设计计算,你会发现在某些地方,它被转换成存储电荷或能量,通过乘以相关的电压因子。为了进一步帮助系统设计者,一些MOSFET制造商,包括Vishay,现在除了COTR和Coer的高压产品数据外,还提供了完整的EOSS曲线,如图4b所示。对于100 V MOSFET,QOSS通常设置为50%,以帮助分析48V ZVS电桥线路中的死区时间。类似的考虑

适用于栅漏电容CRSS,但其值远低于Coss。根据定义,它的值已经包含在本文开头提到的Coss度量中。C RSS的非线性特性长期以来一直被认为是一个问题,并在各种文献中得到了描述。栅极电荷曲线中的QGD分量只是CRSS中的总存储电荷,在开关期间需要注入或从栅极中取出。请注意,栅极电荷曲线的分段线性分割并不是由于所涉及的电容的任何非线性特性。打开MOSFET的过程包括充电两个不同的电容器,它们在关闭状态下有不同的电压(参见参考文献)。

在处理MOSFET时记住这一点是有用的:它的电容不是由介质分开的两个电极组成的。它们的电容本质上是短的,主要发生在器件受到高dV/dt影响时的开关间隔,等效电路中的电容反映了半导体材料中有源电场与其电流之间的相互作用。只有在这种关系是线性的情况下,这种披露才是有意义的。对于我们在今天的MOSFET器件中看到的极其非线性的情况,毫不夸张地说,根本就没有Coss或CRSS这样的东西。积分电容曲线并不显示任何关于它们如何与电路其他部分交互的信息。设计师不应试图以某种方式将曲线线性化和直线化,而应将重点放在基础上,并直接处理存储的电荷和能量。