理解MOSFET时间相关及能量相关输出电容Coss(tr)和Coss(er)
Understanding time-related and energy-related output capacitances Coss(tr) and Coss(er)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/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)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)来计算死区时间，硬开关变换器必须采用能量相关输出电容Coss(er)来计算开关损耗。
关键词：输出电容；死区时间；开关损耗；超结
0 引言
功率MOSFET的数据表中，有些产品如超结的高压功率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。
超结结构的高压功率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。
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、下桥臂所需要的死区时间，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。
3 能量相关输出电容Coss(er)
MOSFET的Coss会产生开关损耗，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：
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：
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？
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：
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：
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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