Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 功率技術/新能源
 
 
功率技術/新能源  

MOSFET動態輸出電容特性分析

上網時間: 2014年10月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MOSFET  散熱片  ZVS  圖騰柱驅動器  輸出電容 

作者:Alexander J. Young,ON Semiconductor

MOSFET資料表一般根據優先順序顯示單次電壓測量時的輸出電容。雖然這些參數值已足以與過去的產品進行比較,但要在當今的元件中使用這些值,就有些不合適了。因此目前需要性能更好的產品電容。

MOSFET的輸出電容與電壓相關;因此,單點測量並不能精確地表現元件的電容特性。透過使用曲線適配方法從該單點找出輸出電容公式。公式1就是25V電壓時的電容示例。


這個公式的積分可用於代替可用公式中的單值電容。如圖1及圖2所示,公式1極適用於平面型MOSFET元件,但像超接面等更複雜結構的表徵效果極差,在任何計算中都會導致較大誤差。

為了適應各種新元件架構的電容特性需求,可以使用更有效率的電容測量方法,而非建立不同的等式。有效電容值代表的是相同充電時間或充電能量(可高至給定電壓)條件下的結果。這些值考慮到電容變化,而無需使用複雜的公式或像公式1所要求的積分。

平面型MOSFET輸出電容
圖1:根據公式1計算的平面型MOSFET輸出電容

超接面輸出電容
圖2:根據公式2計算的超接面輸出電容

使用有效電容

有效電容可用於建模能量損耗以及設計諧振拓撲結構。針對硬切換拓撲結構進行能量損耗建模時,輸出電容中儲存的能量在每個切換週期發生耗損。隨著切換頻率增加,切換損耗接近導電損耗,嚴重影響能效。輸出電容與功率損耗之間的關係如公式2所示。這只是切換損耗的其中一個組成部分,但十分重要。當選擇MOSFET以及為MOSFET設計散熱片時,還必須考慮到切換期間的其它功率耗散。


在諧振拓撲結構中使用有效電容可確保零電壓切換(ZVS)。為了實現ZVS,磁化電流以及空載時間必須夠大,才能對MOSFET的輸出電容放電,並為另一個充電。如果磁化能量太小,電路將採用硬切換模式作業,損失了改用諧振拓撲結構所取得的一些能效。如果磁化能量太大,會耗損過多能量,同樣會讓使用諧振拓撲結構所取得的能效提升最小化。為了設計可使磁化能量夠低同時維持ZVS的電路,必須使用MOSFET的有效電容,如公式3所示。


為了計算空載時間Δt,也需要有效電容:


測量有效電容

有幾種不同的方法來測量MOSFET的有效輸出電容。利用?定輸出電壓可為輸出電容充電,提供與時間相關的有效值。第二種方法是以?定電流來為輸出電容充電。第三種方法則可以對電容電壓比曲線進行積分計算,產生與能量、時間相關的有效輸出電容。

測量時間相關型有效電容的第一種方法是圖騰柱驅動器,如圖3所示。該驅動器透過一顆100kΩ電阻對MOSFET充電至其額定電壓,同時以示波器監測漏極電壓。測量了漏極電壓上升至額定BVDSS之80%時的上升時間tr。該值與電阻值可一起用於經由公式5來計算有效電容。


求解Coss_eff(tr),即得:


使用圖騰柱配置的有效電容測試電路
圖3:使用圖騰柱配置的有效電容測試電路

為了測量與能量相關的有效輸出電容,必須使用如圖4電路之?定電流來為MOSFET充電。當繼電器導通時開始進行測試。必須測量為MOSFET輸出電容充電所需的時間,並運用在以下公式中:


其中dV為BVDss的80%,I是用於為MOSFET充電的電流,dt則是以測試電路所測量的時間。當求解Coss_eff(tr)時,即得


以有效輸出電容電流為基礎的測試器
圖4:以有效輸出電容電流為基礎的測試器

另一種可用於測量同時與時間、能量相關的電容測量方法,是透過MOSFET資料表中通常會提供的電容與電壓比較曲線。此方法極有好處,因為它僅要求常備的電感電容電阻(LCR)儀錶,而不必開發專用裝置。但還需要建立與電壓相關的電容函數以匹配測量的電容曲線。

一旦知悉電容與電壓之比的函數,就可以使用公式10得出與時間相關的有效電容,其中C(V)則是與電壓相關的電容函數。


為了獲得跟能量相關的有效電容值,在方程式11中使用相同的電壓相關型電容函數。


準確度

使用資料表上的單點輸出電容測量值,可能是估計輸出電容的一種極不精確的方法。不同資料表中選定的電壓點各不相同,無法精確表徵電容曲線的整體性。透過使用與能量、時間相關的有效輸出電容值,計算的精確度會更高。而即使有效電容值是估計值,對於大多數計算而言也已經足夠精確了,如圖5及圖6所示。

在BVDss80%這個點的實際與估計的QOss及EOss值差不多。QOss值可以用於根據公式12計算功率損耗,其中Poc表示的是由存儲在輸出電容中的電荷導致的功率損耗。此方程式便於用戶理解及運用,而且還剛好採用了與計算MOSFET驅動功率損耗最常用方式相同的形式。當然,仍然需要顧及切換期間的導電損耗,以此得出總切換功率損耗。


輸出電容中儲存的實際及有效電荷
圖5:輸出電容中儲存的實際及有效電荷

輸出電容的實際及有效能量
圖6:輸出電容的實際及有效能量

結論

隨著切換頻率上升以及諧振拓撲結構變得更加普遍,MOSFET的輸出電容開始在電路性能方面發揮更大作用。由於MOSFET輸出電容跟電壓呈現非線性關係,在計算上較麻煩而且耗時。有效電容是可以輕易取得的數值,並大幅簡化計算,同時維持可接受的精確度。

(參考原文:Characterizing the dynamic output capacitance of a MOSFET,by Alexander J. Young, ON Semiconductor)





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - MOSFET動態輸出電容特性分析
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首