计算MOSFET非线性电容

　　最初为高压器件开发的超级结MOSFET，电荷平衡现在正向低压器件扩展。虽然这极大地降低了RDS(ON) 和结电容，但电荷平衡使后者非线性进一步加大。MOSFET有效储存电荷和能量减少，而且显著减少，但计算或比较不同MOSFET参数以获得最佳性能变得更加复杂。

　　MOSFET三个相关电容不能作为VDS的函数直接测量，其中有的需要在这个过程中短接或悬空。数据手册最终测量给出的三个值定义如下：

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

　　三者中，输入电容CGS非线性最小。它是栅极和源极间的电容，不会随VDS的大小发生很大变化。另一方面，CGD非线性最大，超级结器件前100V内的变化几乎达到三个数量级。当CiSS为VDS = 0时，也可以看到轻微变化。

图 1. 平面与超级结MOSFET电容对比

　　最近，了解COSS的性质及其对高频开关器件的影响引起关注。COSS储存的电荷和损耗成为配置高频AC-DC转换器的最大挑战。电容损耗与施加电压的平方成正比。参考文献 [1] 指出，同一电容额定电压550 V与12 V相比，储存的能量及损耗大出2100倍。重点降低RDS(ON)，导通损耗显著下降，但COSS下降不成正比。例如，早期TO-220封装600 V MOSFET最低RDS(ON)为340m 。现在，超级结600 V器件的这一数值下降到65 m 。对于电容来说，对比不同技术RDS(ON)值相似器件更为重要。图1为平面器件SiHP17N60D与RDSON相似但略低的超级结MOSFET器件SiHP15N60E的电容对比。请注意，图中的值按对数坐标显示。

　　[2] - [9]通过几种方式解释COSS非线性的性质，并从新的角度分析对高频开关的影响。文献引入“小信号”和“大信号”电容一词进行模拟和分析。除了技术上不准确之外，这个新术语与行业规范没有任何区别。所谓大信号电容不过是MOSFET行业多年来规定的时间值COTR [2] 。

　　另一项分析提出用COSS隐性串联电阻，称为ROSS，来表示非线性电容所有原因不明的损耗[3]。这与明确电容充放电损耗完全由储存能量来定义，与任何串联电阻值无关的基本电路理论相矛盾。在最近同行评审会议出版物[4]和[5]中，有人提出COSS储存的电荷和能量存在滞后现象，并且可能因电压采用的路径而有所不同。这种滞后意味着电荷守恒原理不适用功率MOSFET。

　　与其挑战物理学基本定律，不如重新检查并验证是否在具体环境下正确应用这种原理更有意义。调查令人更感兴趣的是解答以下问题-

　　如果两个电容并联，充电达到相同电压并储存完全相同的电荷，是否必然储存相同能量?

　　利用众所周知公式Q = CV和E = ½ CV2，答案应该是肯定的。遗憾的是，这个储存电荷和能量常用公式并非普遍适用，只在恒定电容的特定情况下才成立。更基本的关系将电容定义为电荷相对于电压的变化率，电压本身是单位电荷能量变化的测量值。换句话说，基本关系是

　　C = dQ/dV 和V = dE/dQ

　　这种电荷和能量的简单方程式假定电容恒定。对于非线性电容，必须分别利用随电压累积的电容和电荷求出电荷和能量。为了进一步说明，请考虑图2中的两个电容。电容CREF建立基准。另一电容CV从1.5 x CREF到0.5 x CREF呈线性变化。在100V处，它们具有相同电荷。这一点从两个电容的C x V部分可以很清楚地看出来，并且得到随电压累积电容值的证实。而储存的能量完全不同。如果储存的电荷随电压累积，则100V处CREF仅具有83.3%的储存能量。同时可以看出75V处CV储存电荷高10%，而能量与CREF相同。

　　图2. 恒定与可变电容对比

　　MOSFET制造商多年来一直采用这些累积，但不是将其指定为电荷和能量，而是将它们转换为两种不同的等效电容。

　　COTR – 充电到80 % VDSS时，储存电荷与COSS相同的固定电容

　　COER – 充电到80 % VDSS时，储存能量与COSS相同的固定电容

　　[2]从经验角度说明，80%额定电压的“有效”COSS与时间等效电容相同。请注意，COTR和COER本身是电压的函数;任何累积非线性函数产生另一个非线性函数。因此，数据手册将其定义为某种特定电压时的变化，如80%额定VDS或400 V。事实上，同一COSS存在两个不同“等效”值，一个表示储存电荷，另一个表示储存能量，这或多或少解答了这个问题。

　　COTR和COER不仅不同，而且其差异程度还可以用作非线性测量值。在我们的例子中，1.5:0.5电容范围内COTR与COER之间相差16.7%。同样，SiHP15N60E的COTR / COER 比接近3.6。其他超级结器件，电容范围可加宽到100:1以上，COTR / COER比可高于10。图3a显示SiHP15N60E储存电荷和能量之间的差。作为电压函数，这两个相关参数的变化率明显不同。在所有桥路配置中，尤其是ZVS模式下工作的桥路配置，需要考虑超大COTR以及所具有的储存总电荷。MOSFET输出电容放电与断电截然不同，应该基于COTR而不是COER设计计算。当然，COER和能量计算仍然需要计算开关损耗 [1]。

　　现在可以明显看出，任何电压条件下COSS绝对值已经没有意义或不需要。与电路相互作用的不是电容本身，而是定义行为的储存电荷和能量。如果观察任何涉及COSS的设计计算会发现，这种计算是某种情况下通过乘以相关电压因子换算储存电荷或能量。除COTR和COER之外，包括威世在内，现在MOSFET制造商的高压器件数据手册提供完整的EOSS曲线，如图3b所示。通常还规定100V MOSFET器件50%处的QOSS，以帮助48V ZVS桥进行死区分析。

　　图3a. COSS 储存电荷和能量与电压的关系

图3b. 电容与储存能量与电压的关系

　　类似的考虑适用于栅漏电容CRSS，但其值远低于COSS。根据定义，这个值已经包含在前面提到的COSS测量结果中。事实上，CRSS非线性本质很早以前就已确定为一个问题并在文献中做了说明。栅极电荷曲线中的QGD分量只不过是导通或关闭期间，栅极需要注入或清除CRSS储存的总电荷。请注意，栅极电荷曲线分段线性部分与任何电容的非线性无关。MOSFET导通过程涉及为两个关闭状态下不同电压的电容器充电。

　　在处理MOSFET时，需要记住它们的电容不包括介质隔开的两个电极。它们本质上是瞬态的，主要在器件高dV/dt条件下开关间隔期间内发挥作用。等效电路中所示电容表示半导体材料与其电流之间有源电场的相互作用。只有关系是线性的，这种表示才有意义。今天的MOSFET表现出极端非线性，可以毫不夸张地说不再有COSS或CRSS之类的因素。设计师不必试图线性化并以某种方式矫正曲线，而专注于直接与储存电荷和能量相关的基础工作。

     作者： Sanjay Havanur， Vishay Siliconix

　　参考文献：

　　[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)