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理解MOSFET时间相关及能量相关输出电容Coss(tr)和Coss(er)

作者:刘松时间:2019-03-29来源:电子产品世界收藏

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

本文引用地址:article/201903/399038.htm

刘松
(万国半导体元件(深圳)有限公司,上海 静安 200070)

      摘要:本文论述了功率MOSFET数据表中静态Coss、时间相关Coss(tr)和能量相关Coss(er)的具体定义以及测量的方法,特别说明了在实际的不同应用中,采用不同的输出电容的原因。谐振变换器必须采用时间相关输出电容Coss(tr)来计算,硬开关变换器必须采用能量相关输出电容Coss(er)来计算
       关键词:输出电容;

  0 引言

  功率MOSFET的数据表中,有些产品如的高压功率MOSFET通常会列出输出电容的三个特征值:静态输出电容Coss、时间相关输出电容Coss(tr)和能量相关输出电容Coss(er),而低压和中压的产品以及平面的高压MOSFET很少列出后面的二个电容值,这主要和不同工艺的MOSFET的结构和电容特性有关。许多研发的工程师并不了解这些电容的实际含义,因此在实际的应用中也不清楚在什么的条件下选择哪一个电容值,本文将详细的说明这些问题。
  1 静态输出电容Coss

  数据表1中列出的静态输出电容Coss通常是在一个固定的偏置电压下的测试值,同时数据表还会列出Coss随V DS 电压变化的曲线如图1所示。从曲线可以看到,随着偏置电压V DS 的增加,Coss会逐渐的降低。
  结构的高压功率MOSFET,Coss会急剧的降低到一个值,然后再缓慢的降低。Crss会急剧的降低到一个最小值,然后再缓慢的增加,如图2,表2所示。

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  静态电容的测试电路所图3所示,低压和平面结构的功率MOSFET在0 V偏置电压条件下,Coss比额定高偏置电压下的容值大数倍或数十倍,而对于超结结构的高压MOSFET,要大数百倍。
  如:AON6162,Coss(0 V)/Coss(30 V)=3.2;,Coss(0 V)/Coss(400 V)=500。超结结构Coss和Crss的这种特性,会带来许多应用的问题[1]

  静态电容的测试条件:VGS=0 V,不同的产品设定的VDS偏置电压不相同,通常是50%或80%的BVDSS,不同的公司,产品测试时使用的频率也不相同,常用的测试频率有:250 KHz、1 MHz或4 MHz。电路中,CK的取值为1 μF、2 μF或其它值。二个串联电阻取值为1 M、620 K或其它值。80%×BVDSS的Coss静态电容,就是偏置电压VDS=80%×BVDSS时,Coss的电容值。
  2 时间相关输出电容Coss(tr)
  时间相关输出电容Coss(tr)是指偏置电压从0上升至80%的BVDSS时,在充电时间相同的条件下,折算成一个等效的固定电容值,其含义和80%×BVDSS的Coss静态电容具有不同的值、不同的含义。通常,80%×BVDSS是一个常用的测试条件。
  测试电路如图4所示,测试的器件为Q2,如果Q2的BVDSS=500 V,当Q1加驱动电压,Q1开通,电源VDD通过R对Q2充电,通过示波器测量的波形,可以读出VDS电压从0上升到400 V所对应的时间tc:

  若R=100 kΩ,折算成时间相关等效电容Coss(tr)为:

  是一个等效电容,没有考虑电容随电压变化的过程,只考虑前后整体的等效时间,在一些谐振变换器的电源结构中,如LLC变换器,用这个电容值计算上、下桥臂所需要的,比数据表中静态的Coss更准确。时间相关的输出电容值有些公司会用Coss(eff)来表示。实际工作的电压变化的时候,这个等效的电容值也不会相同。

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  3 能量相关输出电容Coss(er)
  MOSFET的Coss会产生,在正常的硬开关过程中,关断时VDS的电压上升,电流ID对Coss充电,储存能量;在MOSFET开通的过程中,由于VDS具有一定的电压,那么Coss中储存的能量将会通过MOSFET放电,产生损耗。
  一些低输入电压的应用,如笔记本电脑主板的Buck变换器输入电压为19 V,通讯系统板极Buck变换器输入电压为12 V,由于工作电压比较低、工作频率高,Coss产生的损耗较小,相对于跨越线性区产生的开关损耗通常可以忽略不计,因此在低压功率MOSFET的数据表中,通常不会列出Eoss。
  常用的AC-DC变换器如Flyback结构的电源系统,输入的电压范围为100 VDC~380 VDC,甚至更高的输入电压,Coss产生的损耗所占的比例非常大,甚至成为主导因素,因此在高压功率MOSFET的数据表中,列出Eoss的值。目前有些中压的功率MOSFET的数据表中也列出了Eoss的值。
  许多资料中,理论的Coss放电产生的损耗为:

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  从上式可以看到,Coss放电产生的损耗和容值、频率成正比,和电压的平方成正比。在功率的数据表中,Coss对应产生的功耗就是Eoss[2-4]
  由于功率MOSFET的电容特性是非线性的,Coss容值会随着VDS电压变化,基于Coss的Eoss也是非线性的,因此,直接使用上述传统电容储能的公式计算电容的放电损耗是不正确的。特别是超结结构的高压MOSFET,在不同的电压下,输出电容变化的范围非常大,因此就必须要定义能量相关输出电容,方法如下。
  (1)对Coss的曲线积分,可以得到Qoss:

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  如图5所示,VDS为30 V时对应的Qoss就是图中Coss曲线、水平X轴、VDS=30 V垂直线和垂直Y轴所包围的面积。在不同的电压下得到不同的Qoss,就可以作出Qoss-VDS曲线。
  (2)那么可否根据Qoss-VDS的曲线,再对Qoss积分,就可以得到Eoss呢?

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  公式中的电容Coss随VDS电压变化,不同的电压下容值不同,因此不能直接使用上面积分的方法来计算Eoss。
  考虑到电容Coss随VDS电压变化,为了计算VDS-Eoss曲线,可以使用数值法,进行工程上的估算:VDS电压从0开始,使用小的电压增幅间隔,例如:0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V、3.5 V、⋯⋯、60 V,在不同的电压下可以得到相应的电容值。当电压从VDS(n)增加到VDS(n+1)时,例如从1 V增加到1.5 V,增加的Qoss可以由下式计算:

  增加的能量由下式计算:

  因此,V DS(n+1) 对应的能量为:

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  上述数值方法中使用的步长越小,所得到的结果越精确。使用上述方法,计算得到AON6162的VDS-Eoss曲线如图6所示,使用同样方法,可以得到IPP60R04C7的VDS-Eoss曲线,如图7所示。
  能量相关输出电容Coss(er)是指偏置电压从0上升至80%的BVDSS时,在储存的能量相等的条件下,折算成一个等效的固定电容值,根据Eoss曲线,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这个电容值:

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  不同产品的数据表使用的标注电压条件并不同,有些使用80%×BVDSS,有些使用60%×BVDSS,因此,能量相关输出电容只是在相应的电压条件下的等效值。实际应用的时候,要根据实际的工作电压,折算成对应的电容值,若只是计算损耗,就直接使用Eoss曲线查出对应的损耗值。
  高压超结结构的功率MOSFET的Coss变化非常大,0 V偏置电压条件下的Coss比80%×BVDSS偏置电压下的容值大数百倍。使用0 V偏置电压条件下的静态电容Coss计算开关损耗,会远远大于实际产生的开关损耗;而使用80%×BVDSS偏置电压条件下的静态电容Coss计算开关损耗,会远远小于实际产生的开关损耗,因此就要用能量相关输出电容Coss(er)来计算开关损耗,在硬开关电源结构中,所得到的结果更为准确。同样的,实际工作的电压变化的时候,这个等效的电容值也不会相同,所产生的开关损耗也不相同。
  4 结论

  (1)功率MOSFET的静态输出电容Coss是在一定的偏置电压VDS条件下的输出电容值。
  (2)时间相关输出电容Coss(tr)是在一定的偏置电压VDS条件下,时间等效的输出电容值,在一些谐振变换器的电源结构如LLC变换器,用这个电容值计算死区时间更准确。
  (3)能量相关输出电容Coss(er)是在一定的偏置电压VDS条件下,能量等效的输出电容值,特别是超结结构的高压功率MOSFEET,在硬开关的使用中,使用这个值计算输出电容产生的开关损耗更为准确。
  (4)静态输出电容Coss、时间相关输出电容以及能量相关输出电容Coss(er)都和偏置电压VDS相关,随着VDS的变化而变化,应用中要根据实际的电压来进行折算。

  参考文献
  [1] 刘松,张龙等,超结型高压功率MOSFET结构工作原理,今日电子:2013.11(243):30-31
  [2] 刘松,理解功率MOSFET的开关损耗,今日电子:2009.10:52-55
  [3] 刘松,通讯系统中超高效率Buck变换器设计考虑,今日电子:2009.02:70-71
  [4] 刘松,功率MOSFET应用问题分析基础篇,今日电子:2014.12(256):43-46
  作者简介:
  刘松,硕士,现任职于万国半导体元件(深圳)有限公司应用总监,主要研究方向:开关电源、电力电子以及功率元件的应用和研究工作,曾获得广东省科技进步二等奖一项,在各类学术期刊上发表学术论文60余篇。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第62页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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