理解MOSFET的时间相关输出电容Coss(tr)、能量相关输出电容Coss(er)

 


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,下面分别进行说明。

 

1、静态输出电容Coss

 

数据表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VDS电压变化的曲线。从曲线可以看到,随着偏置电压VDS的增加,Coss会逐渐的降低。


AON6512



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。


IPP60R04C7



低压和平面结构的功率MOSFET在0V偏置电压条件下,Coss比额定的高偏置电压大数倍或数十倍,而对于超结的高压MOSFET,大数百倍,其测试电路所图1所示。如:AON6512,Coss(0V)/Coss(30V)=5;IPP60R04C7,Coss(0V)/Coss(400V)=500。


超结结构Coss和Crss的这种特性,会带来许多应用的问题。


图1:静态输出电容Coss测量电路

 

测试条件:VGS=0V,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:250KHz、1MHz或 4MHz。电路中,CK的取值为1uF、2uF或其它值。二个串联电阻取值为 1M、620K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(80%BVDSS是一个常用的测试条件),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。


测试电路如图所示,测试的器件为Q2,如果Q2的BVDSS=500V,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400V所对应的时间tc:

若R=100KOhm,折算成时间相关等效电容Coss(tr)为:

 

Coss(tr)不考虑电容随电压的变化的过程,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,用这个电容值计算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。


 图2:Coss(tr)测量电路

 

3、能量相关输出电容Coss(er)

 

能量相关输出电容Coss(tr)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。

 

功率MOSFET的Eoss的计算,可以参见下面文章:

理解功率MOSFET的Coss产生损耗

 

使用下面公式就可以得到这个电容值:



IPP60R04C7:Eoss


高压超结功率MOSFET的Coss变化非常大,在硬开关电源结构中,计算Coss在开通过程中放电产生的损耗,使用这个值比数据表中静态的Coss更准确。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。


附:其它型号的输出电容测试条件


IRFB4310:BVDSS=100V,静态输出电容的测试电压为50V,时间相关和能量相关的测试电压为0-80V。


STB33N65M2:BVDSS=650V,静态输出电容的测试电压为100V,能量相关的测试电压为0-520V,时间相关电容没有列出。


FCP067N65S3:BVDSS=650V,静态输出电容的测试电压为400V,时间相关和能量相关的测试电压为0-400V。


FCP099N60E:BVDSS=600V,静态输出电容的测试电压为380V,时间相关的测试电压为0-480V。


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