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盘算MOSFET非线性电容

宣布时间:2018年08月22日 11:08    宣布者:傲壹电子

MOSFET三个相关电容不克不及作为VDS的函数直接丈量,其中有的须要在这个历程当中短接或悬空。数据手册事实丈量给出的三个值界说以下:

  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的年夜小发生很年夜变换。此外一方面,CGD非线性最年夜,超级结器件前100V内的变换简直到达三个数目级。当CiSS为VDS = 0时,也能够或许看到稍微变换。

图 1. 平面与超级结MOSFET电容较量

  比来,明确COSS的性子及其对高频开关器件的影响惹起关注。COSS贮存的电荷和消耗成为装备高频AC-DC转换器的最年夜寻衅。电容消耗与施加电压的平方成正比。参考文献 [1] 指出,统一电容特殊电压550 V与12 V相比,贮存的能量及消耗年夜出2100倍。重点降低RDS(ON),导通消耗显着降低,但COSS降低不成正比。例如,早期TO-220封装600 V MOSFET最低RDS(ON)为340m 。现在,超级结600 V器件的这一数值降低到65 m 。关于电容来讲,较量不合手艺RDS(ON)值类似器件更减轻要。图1为平面器件SiHP17N60D与RDSON类似但略低的超级结MOSFET器件SiHP15N60E的电容较量。请重视,图中的值按对数坐标显示。

  [2] - [9]经由历程几种要领诠释COSS非线性的性子,着重新的角度剖析对高频开关的影响。文献引入“小旌旗暗记”和“年夜旌旗暗记”电容一词阻拦模拟和剖析。除手艺上不准确以外,这个新术语与行业尺度没有任何差异。所谓年夜旌旗暗记电容不外是MOSFET行业多年来划定的时间值COTR [2] 。

  此外一项剖析提出用COSS隐性勾通电阻,称为ROSS,来体现非线性电容一切启事不明的消耗[3]。这与明确电容充放电消耗完全由贮存能量来界说,与任何勾通电阻值有关的基本电路现实相抵触。在比来同业评审聚会聚会会议出书物[4]和[5]中,有人提出COSS贮存的电荷和能量存在滞后情形,而且能够因电压接纳的蹊径而有所不合。这类滞后意味着电荷守恒原理不适用功率MOSFET。

  与其寻衅物理学基本定律,不如重新检查并验证能否在详细情形下准确应用这类原理更居心义。查询会见令人更感兴趣的是解答以下效果-

  假定两个电容并联,充电到达类似电压并贮存完全类似的电荷,能否一定贮存类似能量?

  应用尽人皆知公式Q = CV和E = ½ CV2,谜底应当是一定的。遗憾的是,这个贮存电荷和能量经常应用公式着实不是普遍适用,只在恒定电容的特定情形下才培植。更基本的关系将电容界说为电荷相关于电压的变换率,电压自己是单元电荷能质变换的丈量值。换句话说,基本关系是

  C = dQ/dV 和V = dE/dQ

  这类电荷和能量的简双方程式假定电容恒定。关于非线性电容,必须划分应用随电压积累的电容和电荷求出电荷和能量。为了进一步诠释,请推敲图2中的两个电容。电容CREF培植基准。此外一电容CV从1.5 x CREF到0.5 x CREF呈线性变换。在100V处,它们具有类似电荷。这一点从两个电容的C x V部门可以很清晰地看出来,而且取得随电压积累电容值的证实。而贮存的能量完全不合。假定贮存的电荷随电压积累,则100V处CREF仅具有83.3%的贮存能量。同时可以看出75V处CV贮存电荷高10%,而能量与CREF类似。

  图2. 恒定与可变电容较量

  MOSFET制造商多年来一直接纳这些积累,但不是将其指定为电荷和能量,而是将它们转换为两种不合的等效电容。

  COTR – 充电到80 % VDSS时,贮存电荷与COSS类似的结实电容

  COER – 充电到80 % VDSS时,贮存能量与COSS类似的结实电容

  [2]从履历角度诠释,80%特殊电压的“有用”COSS与时间等效电容类似。请重视,COTR和COER自己是电压的函数;任何积累非线性函数发生此外一个非线性函数。是以,数据手册将其界说为某种特定电压时的变换,如80%特殊VDS或400 V。现实上,统一COSS存在两个不合“等效”值,一个体现贮存电荷,此外一个体现贮存能量,这或多或少解答了这个效果。

  COTR和COER不只不合,而且其差异水平还可以用作非线性丈量值。在我们的例子中,1.5:0.5电容规模内COTR与COER之间相差16.7%。异常,SiHP15N60E的COTR / COER 比靠近3.6。其他超级结器件,电容规模可加宽到100:1以上,COTR / COER比可高于10。图3a显示SiHP15N60E贮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换率显着不合。在一切桥路装备中,特殊是ZVS形式下使命的桥路装备,须要推敲超年夜COTR和所具有的贮存总电荷。MOSFET输入电容放电与断电截然不合,应当基于COTR而不是COER设计盘算。虽然,COER和能量盘算依然须要盘算开关消耗 [1]。

  现在可以显着看出,任何电压条件下COSS相对值曾经没居心义或不须要。与电路相互作用的不是电容自己,而是界说行动的贮存电荷和能量。假定不雅不雅察任何触及COSS的设计盘算会发现,这类盘算是某种情形下经由历程乘以相关电压因子换算贮存电荷或能量。除COTR和COER以外,网罗威世在内,现在MOSFET制造商的高压器件数据手册供应完全的EOSS曲线,如图3b所示。通常还划定100V MOSFET器件50%处的QOSS,以赞助48V ZVS桥阻拦去世分辨析。

  图3a. COSS 贮存电荷和能量与电压的关系

图3b. 电容与贮存能量与电压的关系

  类似的推敲适用于栅泄电容CRSS,但其值远低于COSS。凭证界说,这个值曾经网罗在前面提到的COSS丈量效果中。现实上,CRSS非线性本质很早之前就已一定为一个效果并在文献中做相识释。栅极电荷曲线中的QGD重量只不外是导通或关闭时代,栅极须要注入或扫除CRSS贮存的总电荷。请重视,栅极电荷曲线分段线性部门与任何电容的非线性有关。MOSFET导经由历程程触及为两个关闭状态下不合电压的电容器充电。

  在处置赏罚赏罚MOSFET时,须要记着它们的电容不网罗介质离隔的两个电极。它们本质上是瞬态的,主要在器件高dV/dt条件下开关距离时代内施展作用。等效电路中所示电容体现半导体质料与其电流之间有源电场的相互作用。只需关系是线性的,这类体现才居心义。明天的MOSFET体现出极端非线性,可以绝不强调地说不再有COSS或CRSS之类的因素。设计师不用试图线性化并以某种要领纠正曲线,而专注于直接与贮存电荷和能量相关的基础使命。


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