开始为高压器材开发的超级结MOSFET，电荷平衡现在正向低压器材扩展。尽管这极大地下降了RDS(ON) 和结电容，但电荷平衡使后者非线性进一步加大。MOSFET有用贮存电荷和能量削减，并且显着削减，但核算或比较不同MOSFET参数以取得最佳功能变得愈加杂乱。
MOSFET三个相关电容不能作为VDS的函数直接丈量，其间有的需求在这个进程中短接或悬空。数据手册终究丈量给出的三个值界说如下：
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的巨细发生很大改变。另一方面，CGD非线性最大，超级结器材前100V内的改变简直到达三个数量级。当CiSS为VDS = 0时，也能够看到细微改变。
图 1. 平面与超级结MOSFET电容比照
最近，了解COSS的性质及其对高频开关器材的影响引起重视。COSS贮存的电荷和损耗成为装备高频AC-DC转换器的最大应战。电容损耗与施加电压的平方成正比。参考文献 [1] 指出，同一电容额外电压550 V与12 V比较，贮存的能量及损耗大出2100倍。要点下降RDS(ON)，导通损耗显着下降，但COSS下降不成正比。例如，前期TO-220封装600 V MOSFET最低RDS(ON)为340m 。现在，超级结600 V器材的这一数值下降到65 m 。关于电容来说，比照不同技能RDS(ON)值相似器材更为重要。图1为平面器材SiHP17N60D与RDSON相似但略低的超级结MOSFET器材SiHP15N60E的电容比照。请注意，图中的值按对数坐标显现。
[2] – [9]经过几种方法解说COSS非线性的性质，并从头的视点剖析对高频开关的影响。文献引进“小信号”和“大信号”电容一词进行模仿和剖析。除了技能上不精确之外，这个新术语与职业标准没有任何差异。所谓大信号电容不过是MOSFET职业多年来规则的时刻值COTR [2] 。
另一项剖析提出用COSS隐性串联电阻，称为ROSS，来表明非线性电容一切原因不明的损耗[3]。这与清晰电容充放电损耗彻底由贮存能量来界说，与任何串联电阻值无关的根本电路理论相对立。在最近同行评定会议出版物[4]和[5]中，有人提出COSS贮存的电荷和能量存在滞后现象，并且或许因电压选用的途径而有所不同。这种滞后意味着电荷守恒原理不适用功率MOSFET。
与其应战物理学根本定律，不如从头查看并验证是否在详细环境下正确使用这种原理更有含义。查询令人更感兴趣的是回答以下问题-
假如两个电容并联，充电到达相同电压并贮存彻底相同的电荷，是否必定贮存相同能量?
使用众所周知公式Q = CV和E = ½ CV2，答案应该是必定的。惋惜的是，这个贮存电荷和能量常用公式并非遍及适用，只在稳定电容的特定情况下才树立。更根本的联系将电容界说为电荷相关于电压的改变率，电压自身是单位电荷能量改变的丈量值。换句话说，根本联系是
C = dQ/dV 和V = dE/dQ
这种电荷和能量的简略方程式假定电容稳定。关于非线性电容，有必要别离使用随电压累积的电容和电荷求出电荷和能量。为了进一步阐明，请考虑图2中的两个电容。电容CREF树立基准。另一电容CV从1.5 x CREF到0.5 x CREF呈线性改变。在100V处，它们具有相同电荷。这一点从两个电容的C x V部分能够很清楚地看出来，并且得到随电压累积电容值的证明。而贮存的能量彻底不同。假如贮存的电荷随电压累积，则100V处CREF仅具有83.3%的贮存能量。一起能够看出75V处CV贮存电荷高10%，而能量与CREF相同。
图2. 稳定与可变电容比照
MOSFET制造商多年来一向选用这些累积，但不是将其指定为电荷和能量，而是将它们转换为两种不同的等效电容。
COTR – 充电到80 % VDSS时，贮存电荷与COSS相同的固定电容
COER – 充电到80 % VDSS时，贮存能量与COSS相同的固定电容
[2]从经历视点阐明，80%额外电压的“有用”COSS与时刻等效电容相同。请注意，COTR和COER自身是电压的函数;任何累积非线性函数发生另一个非线性函数。因而，数据手册将其界说为某种特定电压时的改变，如80%额外VDS或400 V。事实上，同一COSS存在两个不同“等效”值，一个表明贮存电荷，另一个表明贮存能量，这或多或少回答了这个问题。
COTR和COER不只不同，并且其差异程度还能够用作非线性丈量值。在咱们的比如中，1.5:0.5电容规模内COTR与COER之间相差16.7%。相同，SiHP15N60E的COTR / COER 比挨近3.6。其他超级结器材，电容规模可加宽到100:1以上，COTR / COER比可高于10。图3a显现SiHP15N60E贮存电荷和能量之间的差。作为电压函数，这两个相关参数的改变率显着不同。在一切桥路装备中，尤其是ZVS形式下作业的桥路装备，需求考虑超大COTR以及所具有的贮存总电荷。MOSFET输出电容放电与断电天壤之别，应该依据COTR而不是COER规划核算。当然，COER和能量核算依然需求核算开关损耗 [1]。
现在能够显着看出，任何电压条件下COSS绝对值现已没有含义或不需求。与电路相互作用的不是电容自身，而是界说行为的贮存电荷和能量。假如调查任何触及COSS的规划核算会发现，这种核算是某种情况下经过乘以相关电压因子换算贮存电荷或能量。除COTR和COER之外，包括威世在内，现在MOSFET制造商的高压器材数据手册供给完好的EOSS曲线，如图3b所示。一般还规则100V MOSFET器材50%处的QOSS，以协助48V ZVS桥进行死区剖析。
图3a. COSS 贮存电荷和能量与电压的联系
图3b. 电容与贮存能量与电压的联系
相似的考虑适用于栅漏电容CRSS，但其值远低于COSS。依据界说，这个值现已包括在前面说到的COSS丈量成果中。事实上，CRSS非线性实质很早以前就已确定为一个问题并在文献中做了阐明。栅极电荷曲线中的QGD重量只不过是导通或封闭期间，栅极需求注入或铲除CRSS贮存的总电荷。请注意，栅极电荷曲线分段线性部分与任何电容的非线性无关。MOSFET导通进程触及为两个封闭状态下不同电压的电容器充电。
在处理MOSFET时，需求记住它们的电容不包括介质离隔的两个电极。它们实质上是瞬态的，主要在器材高dV/dt条件下开关距离期间内发挥作用。等效电路中所示%&&&&&%表明半导体资料与其电流之间有源电场的相互作用。只要联系是线性的，这种表明才有含义。今日的MOSFET表现出极点非线性，能够毫不夸大地说不再有COSS或CRSS之类的要素。规划师不用企图线性化并以某种方法纠正曲线，而专心于直接与贮存电荷和能量相关的根底作业。
作者： Sanjay Havanur， Vishay Siliconix
参考文献：
[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)
