MOSFET动态输出电容特性分析

MOSFET数据表一般根据优先级显示单次电压测量时的输出电容。虽然这些参数值已足以与过去的产品进行比较，但要在当今的组件中使用这些值，就有些不合适了。因此目前需要性能更好的产品电容。
MOSFET的输出电容与电压相关；因此，单点测量并不能精确地表现组件的电容特性。透过使用曲线适配方法从该单点找出输出电容公式。公式1就是25V电压时的电容示例。
这个公式的积分可用于代替可用公式中的单值电容。如图1及图2所示，公式1极适用于平面型MOSFET组件，但像超接面等更复杂结构的表征效果极差，在任何计算中都会导致较大误差。
为了适应各种新组件架构的电容特性需求，可以使用更有效率的电容测量方法，而非建立不同的等式。有效电容值代表的是相同充电时间或充电能量(可高至给定电压)条件下的结果。这些值考虑到电容变化，而无需使用复杂的公式或像公式1所要求的积分。
使用有效电容
有 效电容可用于建模能量损耗以及设计谐振拓扑结构。针对硬切换拓扑结构进行能量损耗建模时，输出电容中储存的能量在每个切换周期发生耗损。随着切换频率增 加，切换损耗接近导电损耗，严重影响能效。输出电容与功率损耗之间的关系如公式2所示。这只是切换损耗的其中一个组成部分，但十分重要。当选择 MOSFET以及为MOSFET设计散热片时，还必须考虑到切换期间的其它功率耗散。
在谐振拓扑结构中使用有效电容可确保零电压切换(ZVS)。 为了实现ZVS，磁化电流以及空载时间必须够大，才能对MOSFET的输出电容放电，并为另一个充电。如果磁化能量太小，电路将采用硬切换模式作业，损失 了改用谐振拓扑结构所取得的一些能效。如果磁化能量太大，会耗损过多能量，同样会让使用谐振拓扑结构所取得的能效提升最小化。为了设计可使磁化能量够低同时维持ZVS的电路，必须使用MOSFET的有效电容，如公式3所示。
为了计算空载时间Δt，也需要有效电容：
测量有效电容
有几种不同的方法来测量MOSFET的有效输出电容。利用?定输出电压可为输出电容充电，提供与时间相关的有效值。第二种方法是以?定电流来为输出电容充电。第三种方法则可以对电容电压比曲线进行积分计算，产生与能量、时间相关的有效输出电容。
测 量时间相关型有效电容的第一种方法是图腾柱驱动器，如图3所示。该驱动器透过一颗100kΩ电阻对MOSFET充电至其额定电压，同时以示波器监测漏极电 压。测量了漏极电压上升至额定BVDSS之80%时的上升时间tr。该值与电阻值可一起用于经由公式5来计算有效电容。
求解Coss_eff(tr)，即得：
为了测量与能量相关的有效输出电容，必须使用如图4电路之?定电流来为MOSFET充电。当继电器导通时开始进行测试。必须测量为MOSFET输出电容充电所需的时间，并运用在以下公式中：
其中dV为BVDss的80%，I是用于为MOSFET充电的电流，dt则是以测试电路所测量的时间。当求解Coss_eff(tr)时，即得
另一种可用于测量同时与时间、能量相关的电容测量方法，是透过MOSFET数据表中通常会提供的电容与电压比较曲线。此方法极有好处，因为它仅要求常备的电感电容电阻(LCR)仪表，而不必开发专用装置。但还需要建立与电压相关的电容函数以匹配测量的电容曲线。
一旦知悉电容与电压之比的函数，就可以使用公式10得出与时间相关的有效电容，其中C(V)则是与电压相关的电容函数。
为了获得跟能量相关的有效电容值，在方程式11中使用相同的电压相关型电容函数。
准确度
使 用数据表上的单点输出电容测量值，可能是估计输出电容的一种极不精确的方法。不同数据表中选定的电压点各不相同，无法精确表征电容曲线的整体性。透过使用 与能量、时间相关的有效输出电容值，计算的精确度会更高。而即使有效电容值是估计值，对于大多数计算而言也已经足够精确了，如图5及图6所示。
在BVDss80%这个点的实际与估计的QOss及EOss值差不多。QOss值可以用于根据公式12计算功率损耗，其中Poc表示的是由存储在输出电容中的电荷导致的功率损耗。此方程式便于用户理解及运用，而且还刚好采用了与计算MOSFET驱动功率损耗最常用方式相同的形式。当然，仍然需要顾及切换期间的导电损耗，以此得出总切换功率损耗。
结论
随着切换频率上升以及谐振拓扑结构变得更加普遍，MOSFET的输出电容开始在电路性能方面发挥更大作用。由于MOSFET输出电容跟电压呈现非线性关系，在计算上较麻烦而且耗时。有效电容是可以轻易取得的数值，并大幅简化计算，同时维持可接受的精确度。