Understanding time-related and energy-related output capacitances Coss(tr) and Coss(er)
刘松
（万国半导体元件(深圳)有限公司，上海 静安 200070）
摘要：本文论说了功率MOSFET数据表中静态输出电容Coss、时刻相关输出电容Coss(tr)和能量相关输出电容Coss(er)的具体界说以及丈量的办法，特别阐明晰在实践的不同运用中，选用不同的输出电容的原因。谐振变换器有必要选用时刻相关输出电容Coss(tr)来核算死区时刻，硬开关变换器有必要选用能量相关输出电容Coss(er)来核算开关损耗。
关键词：输出电容；死区时刻；开关损耗；超结
0 导言
功率MOSFET的数据表中，有些产品如超结的高压功率MOSFET一般会列出输出电容的三个特征值：静态输出电容Coss、时刻相关输出电容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很少列出后边的二个电容值，这首要和不同工艺的MOSFET的结构和电容特性有关。许多研制的工程师并不了解这些电容的实践意义，因而在实践的运用中也不清楚在什么的条件下挑选哪一个电容值，本文将具体的阐明这些问题。
1 静态输出电容Coss
数据表1中列出的静态输出电容Coss一般是在一个固定的偏置电压下的测验值，一起数据表还会列出Coss随V DS 电压改变的曲线如图1所示。从曲线能够看到，跟着偏置电压V DS 的添加，Coss会逐步的下降。
超结结构的高压功率MOSFET，Coss会急剧的下降到一个值，然后再缓慢的下降。Crss会急剧的下降到一个最小值，然后再缓慢的添加，如图2，表2所示。
静态电容的测验电路所图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比额外高偏置电压下的容值大数倍或数十倍，而关于超结结构的高压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，会带来许多运用的问题[1]。
静态电容的测验条件：VGS=0 V，不同的产品设定的VDS偏置电压不相同，一般是50%或80%的BVDSS，不同的公司，产品测验时运用的频率也不相同，常用的测验频率有：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，便是偏置电压VDS=80%×BVDSS时，Coss的电容值。
2 时刻相关输出电容Coss(tr)
时刻相关输出电容Coss(tr)是指偏置电压从0上升至80%的BVDSS时，在充电时刻相同的条件下，折算成一个等效的固定电容值，其意义和80%×BVDSS的Coss静态电容具有不同的值、不同的意义。一般，80%×BVDSS是一个常用的测验条件。
测验电路如图4所示，测验的器材为Q2，假如Q2的BVDSS=500 V，当Q1加驱动电压，Q1注册，电源VDD经过R对Q2充电，经过示波器丈量的波形，能够读出VDS电压从0上升到400 V所对应的时刻tc：
若R=100 kΩ，折算成时刻相关等效电容Coss(tr)为：
是一个等效电容，没有考虑电容随电压改变的进程，只考虑前后全体的等效时刻，在一些谐振变换器的电源结构中，如LLC变换器，用这个电容值核算上、下桥臂所需求的死区时刻，比数据表中静态的Coss更精确。时刻相关的输出电容值有些公司会用Coss(eff)来表明。实践作业的电压改变的时分，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会发生开关损耗，在正常的硬开关进程中，关断时VDS的电压上升，电流ID对Coss充电，贮存能量；在MOSFET注册的进程中，因为VDS具有必定的电压，那么Coss中贮存的能量将会经过MOSFET放电，发生损耗。
一些低输入电压的运用，如笔记本电脑主板的Buck变换器输入电压为19 V，通讯体系板极Buck变换器输入电压为12 V，因为作业电压比较低、作业频率高，Coss发生的损耗较小，相关于跨过线性区发生的开关损耗一般能够忽略不计，因而在低压功率MOSFET的数据表中，一般不会列出Eoss。
常用的AC-DC变换器如Flyback结构的电源体系，输入的电压规模为100 VDC~380 VDC，乃至更高的输入电压，Coss发生的损耗所占的份额非常大，乃至成为主导要素，因而在高压功率MOSFET的数据表中，列出Eoss的值。现在有些中压的功率MOSFET的数据表中也列出了Eoss的值。
许多资猜中，理论的Coss放电发生的损耗为：
从上式能够看到，Coss放电发生的损耗和容值、频率成正比，和电压的平方成正比。在功率的数据表中，Coss对应发生的功耗便是Eoss[2-4]。
因为功率MOSFET的电容特性对错线性的，Coss容值会跟着VDS电压改变，依据Coss的Eoss也对错线性的，因而，直接运用上述传统电容储能的公式核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，输出电容改变的规模非常大，因而就有必要要界说能量相关输出电容，办法如下。
（1）对Coss的曲线积分，能够得到Qoss：
如图5所示，VDS为30 V时对应的Qoss便是图中Coss曲线、水平X轴、VDS=30 V笔直线和笔直Y轴所围住的面积。在不同的电压下得到不同的Qoss，就能够作出Qoss-VDS曲线。
（2）那么可否依据Qoss-VDS的曲线，再对Qoss积分，就能够得到Eoss呢？
公式中的电容Coss随VDS电压改变，不同的电压下容值不同，因而不能直接运用上面积分的办法来核算Eoss。
考虑到电容Coss随VDS电压改变，为了核算VDS-Eoss曲线，能够运用数值法，进行工程上的预算：VDS电压从0开端，运用小的电压增幅距离，例如：0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V、3.5 V、⋯⋯、60 V，在不同的电压下能够得到相应的电容值。当电压从VDS(n)添加到VDS(n+1)时，例如从1 V添加到1.5 V，添加的Qoss能够由下式核算：
添加的能量由下式核算：
因而，V DS(n+1) 对应的能量为：
上述数值办法中运用的步长越小，所得到的成果越精确。运用上述办法，核算得到AON6162的VDS-Eoss曲线如图6所示，运用相同办法，能够得到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，在贮存的能量持平的条件下，折算成一个等效的固定电容值，依据Eoss曲线，BVDSS=500 V，查出VDS=400 V的Eoss(400 V)，然后运用下面公式就能够得到这个电容值：
不同产品的数据表运用的标示电压条件并不同，有些运用80%×BVDSS，有些运用60%×BVDSS，因而，能量相关输出电容仅仅在相应的电压条件下的等效值。实践运用的时分，要依据实践的作业电压，折算成对应的电容值，若仅仅核算损耗，就直接运用Eoss曲线查出对应的损耗值。
高压超结结构的功率MOSFET的Coss改变非常大，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。运用0 V偏置电压条件下的静态电容Coss核算开关损耗，会远远大于实践发生的开关损耗；而运用80%×BVDSS偏置电压条件下的静态电容Coss核算开关损耗，会远远小于实践发生的开关损耗，因而就要用能量相关输出电容Coss(er)来核算开关损耗，在硬开关电源结构中，所得到的成果更为精确。相同的，实践作业的电压改变的时分，这个等效的电容值也不会相同，所发生的开关损耗也不相同。
4 定论
（1）功率MOSFET的静态输出电容Coss是在必定的偏置电压VDS条件下的输出电容值。
（2）时刻相关输出电容Coss(tr)是在必定的偏置电压VDS条件下，时刻等效的输出电容值，在一些谐振变换器的电源结构如LLC变换器，用这个电容值核算死区时刻更精确。
（3）能量相关输出电容Coss(er)是在必定的偏置电压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，在硬开关的运用中，运用这个值核算输出电容发生的开关损耗更为精确。
（4）静态输出电容Coss、时刻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，跟着VDS的改变而改变，运用中要依据实践的电压来进行折算。
参考文献
[1] 刘松,张龙等,超结型高压功率MOSFET结构作业原理,今天电子:2013.11(243):30-31
[2] 刘松,了解功率MOSFET的开关损耗,今天电子:2009.10:52-55
[3] 刘松,通讯体系中超高功率Buck变换器规划考虑,今天电子:2009.02:70-71
[4] 刘松,功率MOSFET运用问题剖析根底篇,今天电子: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)有限公司运用总监，首要研讨方向：开关电源、电力电子以及功率元件的运用和研讨作业，曾取得广东省科技进步二等奖一项，在各类学术期刊上宣布学术论文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，欢迎您写论文时引证，并注明出处
