「金屬氧化物半導體場效電晶體」(MOSFET)自從30多年前首次推出以來,已經成為高頻開關電源轉換的主流。該技術一直在穩步改進,目前已經擁有達到毫歐姆RDS(on)值的低電壓MOSFET了;至於較高電壓的元件則正快速接近個位數字。

實現這些進展的兩項主要MOSFET技術發展是溝槽閘極和電荷平衡結構。電荷平衡技術最初是為能夠產生超接面(superjunction) MOSFET的高電壓元件而開發的,現在也擴展到更低的電壓。

雖然電荷平衡技術大幅度降低了RDS(on)以及所有的接面電容,但也使得後者變得更加非線性化。MOSFET中的有效儲存電荷和能量確實減少了,而且是顯著地減少,但是,計算這些參數或比較不同的MOSFET以獲得最佳性能,已經成為一項相當複雜的事情。

因此,瞭解MOSFET參數(如COSS和CRSS)的傳統方法如今已過時了。本文將解釋其原因並提出一些引導方向,說明如何根據儲存電荷和能量原則有效評估MOSFET在其工作環境的性能。

與MOSFET有關的三種電容

與MOSFET相關的三種電容之基本定義如圖1a和1b所示。以VDS函數的方式測量這些電容並不是一件簡單的工作,在此過程中需要進行一些短路或懸空接腳(left floating)。產品資料表中最後測量和給出如下定義的三個值:

  • CISS = CGS + CGD
  • COSS = CDS + CDG
  • CRSS = CGD

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圖1:溝槽式MOSFET的結構及其電容(a);以及與其他電晶體元件(b)的等效電容示意圖

在這三個數值中,輸入電容CGS是非線性程度最低的。它是閘極結構和源極之間的電容,並不至於因作為VDS函數而變化。另一方面,CGD是極端非線性的,對於超接面元件而言,在第一個100V內變化範圍幾乎達到三個數量級。它也導致了在VDS=0時的CISS的微小步長變化。

最近,很多人有興趣瞭解COSS的特性以及它對高頻開關的影響。這有幾個原因,例如,COSS儲存電荷和損耗已經成為實現高頻AC-DC轉換器的最大挑戰。一般來說,任何與電容相關的損耗都與所施加電壓的平方成正比。例如,相同的電容器在550V時的儲存能量和損耗比12V時更高2,100倍。

隨著人們日益關注於降低RDS(on),導通損耗已經顯著下降,但是COSS並未成比例地下降。例如,在早些時候,600V MOSFET在TO-220封裝時的最低RDS(on)曾經是340mΩ。而現在,該數值在600V超接面元件中已經下降至65mΩ了。對於電容而言,在不同技術之間比較具有相似RDS(on)值的元件更有意義。

圖2比較了兩種元件的電容:一個是SiHP17N60D,它是一種平面元件;另一個是SiHP15N60E,它是一種超接面MOSFET,具有接近但略低的RDS(on)。請注意,這些數值是以對數刻度繪製的。對於超接面元件,COSS在100V時已經從136pF降低到67pF,但它也變得更加非線性。在平面元件中,COSS在VDS=0V與100V時比率為25:1,但現在已經上升3倍達到75:1。在VDS=0時,COSS值大於輸入電容CISS的情況並不罕見。

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圖2:平面MOSFET與超接面MOSFET的電容比較

非線性特性

許多文獻從多方面嘗試解釋COSS的非線性性質,並就其對高頻開關的影響提出了新見解。在對COSS曲線進行積分、模擬以及其它複雜處理之後,這些文獻大多數都重新確認了電容的非線性性質,並因而導入、模擬並分析了「小訊號」電容和「大訊號」電容等術語。除了在技術上並不正確之外,從產業實踐角度來看,這些新術語也並沒有什麼區別。

可以看出,所謂的大訊號電容無非是與時間相關的值COTR,該數值多年來一直被MOSFET產業所規範。在精細模擬結果與產品資料數值之間所突顯的差異依然符合MOSFET特性化和量產中所提及的容差範圍。

另一個分析方法提出了與COSS串聯時的隱藏電阻,即ROSS,用於描述與非線性電容相關聯的所有不明原因損耗。但這與基本電路理論相矛盾——該理論明確指出:電容器充放電損耗完全由儲存在其中的能量所決定,而與任何串聯電阻的值無關。

關於ROSS,沒有人提出過任何半導體層面的解釋或實驗驗證,而論文中所提供的波形清楚地顯示導通的MOSFET體二極體,它為這些損耗提供了更簡單的解釋。事實上,在針對具有感應負載的任何橋式電路進行分析時,體二極體導通都是一項基本考慮因素。

根據最近發表的其他出版品,COSS中的儲存電荷和能量都存在遲滯現象,而且在不同的電壓路徑下可能存在差異。這種遲滯的意義在於電荷守恆原理不適用於功率MOSFET。

不同的途徑

其目的並不在於挑戰物理學的基本定律,而是要重新審視他們,並驗證它們是否正確地在適當場合加以正確運用,這更有啟發性。該研究提出了一個不解之謎,因此可能會更有意思:

如果兩個電容並聯連接,充電到相同的電壓並保持完全相同的儲存電荷,那麼,是否必然得出結論顯示它們也儲存了相同的能量?

根據眾所周知的公式Q=CV和E=½CV2,答案應該是肯定的。情況似乎應當是,即使電容是非線性的,這個結論在任何電壓下也都應當成立。

但遺憾的是,關於儲存的電荷和能量的那些公式並不是普遍有效的,它們只適用於恒定電容這種特殊情況。更基本的關係是將電容定義為電荷轉換(w.r.t.)電壓的變化速率,而電壓本身被定義為單位電荷能量變化的度量。換句話說,基本的關係是:

C = dQ/dV 和 V = dE/dQ

關於電荷(Q)和能量(E)的簡單方程式在推導時存在著靜態電容這一隱含假設。對於非線性電容,必須透過在電壓上分別積分電容和電荷,以匯出電荷和能量。

為了進一步說明這一點,請考慮圖3描述的兩個電容器。參考值由電容器CREF提供。另一電容器Cv從1.5xCREF到0.5xCREF線性變化。在100V時,它們攜帶相同的電荷。觀察這兩個電容器的CxV面積可以清楚地看到這一點,並且也可以透過在電壓上對電容值進行積分來驗證。

然而,所儲存的能量是完全不同的。如果在電壓上對所儲存的電荷進行積分,可以發現,CREF僅具有在100V時所儲存能量的83.3%。此外,在75V時,Cv所存儲電荷比CREF多10%,但二者的能量是相同的。

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圖3:恒定電容與可變電容的比較

MOSFET製造商多年來一直在進行這些積分,但他們不是將其指定為電荷和能量,而是將其轉換為兩種不同的等效電容。

COTR——在充電至80% V CDSS時具有與COSS相同儲存電荷的一種固定電容 COER——在充電至80% V CDSS時具有與COSS相同儲存能量的一種固定電容

「有效」的COSS在80%額定電壓情況下,它與時間相關的等效電容相同。但是,應用筆記中並未區分COTR和COER,二者已經變得非常不同,需要單獨處理。

請注意,COTR和COER二者本身都是電壓的函數;對非線性函數進行的任何積分將總是產生另一個非線性函數。因此,產品資料表把它們定義在某個具體的電壓之下,例如額定VDS的80%或400V。相同的COSS存在兩種不同的「等效」值,一個用於儲存電荷,另一個用於能量,這一事實多多少少能夠解答上述難題。

COTR和COER不僅互不相同,而且它們之間差異的程度可作為測量非線性的指標。在我們的例子中,1.5:0.5的電容範圍會在COTR和COER之間產生16.7%的差異。對於SiHP15N60E而言,相同的COTR / COER比率幾乎是3.6。對於其他超接面元件,電容範圍可能寬於100:1,而且COTR / COER之比可能高於10。圖4a突顯了SiHP15N60E中儲存電荷與能量之間的差異。

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圖4:超接面MOSFET的COSS儲存電荷和能量與電壓之比較(a),以及電容和存儲能量與電壓的比較(b)

作為電壓的函數,這兩個相關參數的變化率有著顯著不同。超大COTR以及由此所隱含的總儲存電荷,需要在所有橋接配置中加以考慮,尤其是那些執行在ZVS模式下的配置。對於MOSFET的輸出電容放電與對其進行斷電(de-energizing)是不太一樣的,應當根據COTR進行設計計算,而不應當根據COER。當然,COER和能量對於計算開關損耗仍然是需要的。

儲存電荷與能量

現在應該很清楚了,COSS在任何電壓下的絕對值不再具有意義。使用者也不再需要它。它本身並不是與電路相互作用的電容,而是定義該行為的儲存電荷和能量。如果你考察任何涉及COSS的設計計算,你將會發現,它在某種地方透過與相關電壓因數相乘而被轉化為儲存電荷或能量。

為了進一步説明系統設計人員,包括Vishay等一些MOSFET製造商目前在其高電壓產品資料中除了提供COTR和COER之外,還提供了完整的EOSS曲線,如圖4b所示。對於100V MOSFET,通常把QOSS規定在50%,以協助在48V ZVS橋接線路中進行死區時間分析。

類似的考慮也適用於閘漏電容CRSS,但其值遠遠低於COSS。根據定義,其值已經包含在本文開始時提及對於COSS的測量中。CRSS的非線性特性實際上在很早以前就被認為是一個問題,而且在各種文獻中一直有所闡述。

閘極電荷曲線中的QGD成份也不過是CRSS中的總儲存電荷,該電荷需要在開關導通或斷開期間注入到閘極或從閘極移除。

請注意,閘極電荷曲線的分段線性分割並不是由於所涉及電容的任何非線性特性所致。導通MOSFET的過程涉及對兩個不同的電容器進行充電,這兩個電容在關斷狀態下的電壓不同。

在處理MOSFET時,牢記這一點是很有用的:它的電容並不是由電介質所隔開的兩個電極組成的。它們的電容在本質上是短暫的,主要出現於開關間隔期間當元件受到高dV/dt的影響之際。

等效電路中顯示的電容揭示了半導體材料中主動電場與其電流之間的相互作用。只有當這種關係是線性時,這種表現才有意義。對於我們在當今MOSFET元件中看到的極端非線性情況,可以絲毫不誇張地說,根本不存在COSS或CRSS這樣的事情。對電容曲線進行積分無法顯示它們如何與電路的其餘部份進行動。設計人員不應當嘗試線性化並以某種方式拉直該曲線,而是需要專注於基礎知識,並直接處理儲存電荷和能量。