計算MOSFET非線性電容

2020-12-12 電子產品世界

  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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201806/380899.htm

  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。數據手冊最終測量給出的三個值定義如下:

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

  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。

圖 1. 平面與超級結MOSFET電容對比

  最近,了解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RDSON相似但略低的超級結MOSFET器件SiHP15N60E的電容對比。請注意,圖中的值按對數坐標顯示。

  [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」電容一詞進行模擬和分析。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-

  如果兩個電容並聯,充電達到相同電壓並儲存完全相同的電荷,是否必然儲存相同能量?

  利用眾所周知公式Q = CV和E = ½ 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

  C = dQ/dV 和V = dE/dQ

  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。

  圖2. 恆定與可變電容對比

  MOSFET製造商多年來一直採用這些累積,但不是將其指定為電荷和能量,而是將它們轉換為兩種不同的等效電容。

  COTR – 充電到80 % VDSS時,儲存電荷與COSS相同的固定電容

  COER – 充電到80 % VDSS時,儲存能量與COSS相同的固定電容

  [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子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,以幫助48V ZVS橋進行死區分析。

  圖3a. COSS 儲存電荷和能量與電壓的關係

圖3b. 電容與儲存能量與電壓的關係

  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。

     作者: Sanjay Havanur, Vishay Siliconix

  參考文獻:

  [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)


相關焦點

  • 降壓式DC/DC轉換器的MOSFET選擇(圖)
    柵極驅動損耗是在開關管導通及關斷瞬間,在一定的柵源電壓vgs下,對mosfet的極間電容(如圖2所示)進行充電(建立vgs電壓,使mosfet導通)和放電(讓vgs=0,使mosfet關斷)造成的損耗。
  • 理解MOSFET時間相關及能量相關輸出電容Coss(tr)和Coss(er)
    諧振變換器必須採用時間相關輸出電容Coss(tr)來計算死區時間,硬開關變換器必須採用能量相關輸出電容Coss(er)來計算開關損耗。  由於功率MOSFET的電容特性是非線性的,Coss容值會隨著VDS電壓變化,基於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,輸出電容變化的範圍非常大,因此就必須要定義能量相關輸出電容,方法如下。
  • 要實現LLC原邊MOSFET ZVS,MOSFET電容必須滿足的條件
    要保證MOSFET運行在感性區,諧振電感上的諧振電流必須足夠大,以確保MOSFET源漏間等效的寄生電容上存儲的電荷可以在死區時間內被完全釋放乾淨。 公式看上去雖然簡單,然而一個關於MOSFET等效輸出電容Ceq的實際情況,就是MOSFET的等效寄生電容是源漏極電壓Vds的函數,之前的文章對於MOSFET的等效寄生電容進行過詳細的理論和實際介紹。
  • 電感和電容的計算
    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/185615.htm加載其電感量按下式計算:線圈公式阻抗(ohm) = 2 * 3.14159 * F(工作頻率) * 電感量(mH),設定需用 360ohm 阻抗,因此:電感量(mH) = 阻抗 (ohm) ÷ (2*3.14159
  • 電容放電時間的計算
    在超級電容的應用中,很多用戶都遇到相同的問題,就是怎樣計算一定容量的超級電容在以一定電流放電時的放電時間,或者根據放電電流及放電時間,怎麼選擇超級電容的容量,下面我們給出簡單的計算公司,用戶根據這個公式,就可以簡單地進行電容容量
  • 電容放電電阻接線_法拉電容放電時間計算
    打開APP 電容放電電阻接線_法拉電容放電時間計算 佚名 發表於 2019-10-31 09:29:17   電容放電電阻接線
  • 法拉電容放電電流的計算
    超級電容可做成超級電容模組,適合高容量的需求。   缺點:   (1)目前超級電容的耐壓均不高。實際使用中過壓保護電路必不可少。有人經常將二個到多個超級電容串接來接入大電壓環境中。這種做法是不對的。因為隨著電容的漏電,而電容的品質又不盡相同,在後期多次的充放電後容易造成局部單元過充而擊穿的現象。
  • 超級電容標稱容量計算和ESR的計算
    打開APP 超級電容標稱容量計算和ESR的計算 胡薇 發表於 2018-04-17 10:15:23 超級電容(EDLC)和電池不同,隨著電荷放電電位下降。
  • 電容的去耦半徑計算
    打開APP 電容的去耦半徑計算 發表於 2017-11-12 10:53:40
  • 大功率IGBT中濾波電容的選擇與計算
    第三、濾波電容的選取濾波電容的要求是要選擇低內阻電容,但是選取的時候還是有兩點需要注意的地方:首先是濾波電容的容值選取。濾波電容並不是越大越好,一般選取時只要滿足電壓瞬降在100mV以內就可以了。如果選擇大了,意味著更大的電容內阻,反而降低驅動性能。如果選擇小了意味著電壓波動大,會影響電路性能。
  • 僅檢測電感電流的AD/DC升壓變換器非線性載波控制
    例如單周期控制(One Cycle Control,OCC)和非線性載波控制(Nonlinear Carrier Control,NLC)都引入非線性控制信號從而省去乘法器等高成本器件,並能在單周期內實現擾動消除。他們的檢測電路是不同的:單周期控制僅檢測電感電流,而非線性載波控制需要同時檢測電感電流和輸出電壓。
  • 反激開關電源輸出電容計算
    1、 設定開關工作頻率:f=60kHz,輸出電流Io=1A;根據變壓器,輸入、輸出電壓求實際最大佔空比Dmax=0.457;本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/180054.htm2、 計算
  • 非線性電路功率因數的定義
    由於整流電路中二極體的非線性,儘管市電輸人電壓為正弦,但輸入電流卻發生了相位的變化和波形的嚴重畸變。因此線性電路的功率因數計算方法不再適用於AC/DC整流一濾波電容電路,即不能再用cosφ來表示功率因數,而應該再加入波形畸變的因素:
  • 單相電機啟動電容怎樣計算、選用
    打開APP 單相電機啟動電容怎樣計算、選用 發表於 2019-10-21 09:38:08 單相電機啟動電容怎樣計算、選用 一般不用計算的,因為啟動電容只是起到一個移相作用,只要和啟動線圈配合,將線圈的電動勢移相為互差180°電角度即可產生旋轉磁場,電機啟動後就切斷啟動線圈和此電容了,所以這個電容應用範圍較寬,一般550W-2200W電機都用450V200μf的,都可以正常啟動。
  • 電容傳感器原理
    ,接下來我們就來看看電容式傳感器是怎樣完成其特定功能的吧~~本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/277511.htm  電容傳感器,英文名稱為capacitive type transducer,是一種將其他量的變換以電容的變化體現出來的儀器。
  • 輸入側與輸出側電解電容的計算方法
    輸入側的電解電容計算:   我們一般按照在最低輸入電壓下,最大輸出的情況下,要求電解電容上的紋波電壓低於多少個百分點來計算。當然,如果有保持時間的要求,那麼需要按照保持時間的要求重新計算,二者之中,取大的值。
  • 「輸入電解」和「輸出電解」電容的詳細計算!
    我們一般按照在最低輸入電壓下,最大輸出的情況下,要求電解電容上的紋波電壓低於多少個百分點來計算。當然,如果有保持時間的要求,那麼需要按照保持時間的要求重新計算,二者之中,取大的值。假如在最低輸入電壓下,電源的輸入功率為Pin,最低輸入交流電壓有效值為Vinacmin,那麼我們一般認為此時整流後的直流電壓為Vinmin=1.2×Vinacmin,由於在交流兩次充電周期間,對後面變換器的供電都是由電容儲能來保證的,那麼電壓跌落是可以計算出來的:
  • 電容串並聯分壓計算方法及公式
    想起電阻串並聯,電容計算正相反,   電容串聯電阻並,電容並聯電阻串。   說明:兩個或兩個以上電容器串聯時,相當於絕緣距離加長,因為只有最靠兩邊的兩塊極板起作用,又因電容和距離成反比,距離增加,電容下降;兩個或兩個以上電容器並聯時,相當於極板的面積增大了,又因電容和面積成正比,面積增加,電容增大。
  • 電容式傳感器的應用_電容式傳感器測量電路
    電容式傳感器的應用   電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、解析度高、動態響應特性好等優點,廣泛用於壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。   電容式傳感器應用中的注意事項   (1)克服寄生電容的影響   電容式傳感器由於受結構與尺寸的限制,其電容量都很小(pF到幾十pF),屬於小功率、高阻抗器件,因此極易外界幹擾,尤其是受大於它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的幹擾,它與傳感器電容相併聯,嚴重影響感器的輸出特性,甚至會淹沒有用信號而不能使用。
  • 沒有電容計,如何測量未知電容?
    然而,當電容器處於正弦信號下時,它的行為不再像開路,而是開始吸收電流,呈現出 「電容電抗」(以歐姆表示)。該分量類似於電阻。通過應用這個原理,我們可以很容易地計算出未知電容器的容量值。其容抗公式為:JFTEETC-電子工程專輯Xc = 1 ÷ 2πfCJFTEETC-電子工程專輯如果電容器受到正弦周期信號的影響,通過一些測量和方程式,我們可以計算出其電容值。JFTEETC-電子工程專輯方波電壓下的電容器方波影響下的電容器行為有所不同。