MOSFET中的电容计算
与MOSFET相关的三个电容的基本定义如图1a和1b所示。测量作为VDS函数的这些电容并不是一项简单的任务，其中一些电容需要短路或悬空。最终测量了如下定义的三个值，并在产品数据中给出:
CISS = CGS+CGDCOSS = CDS+CDGCRSS = CGD
在这三个值中，输入电容CGS的非线性最小。它是栅极结构和源极之间的电容，作为VDS的函数不会改变太多。另一方面，CGD是极端非线性的。对于超结器件，前100V的变化范围几乎是三个数量级。这也是VDS= 0时CISS的微小步长的原因。
最近很多人有兴趣了解COSS的特性及其对高频开关的影响。这有几个原因，例如，COSS存储的电荷和损耗已经成为实现高频AC-DC变换器的最大挑战。一般来说，与电容相关的任何损耗都与所施加电压的平方成正比。如参考文献[3]所指出的，同样的电容在550V时的储能和损耗比在12V时高2100倍，随着人们越来越重视降低RDSON，导通损耗明显下降，但COSS并没有成比例下降。例如，早些时候，600V MOSFET在TO-220的最低RDSON为340 mW。现在，这个值在600V超结器件中已经降到了65 mW。对于电容来说，比较不同技术间RDSON值相近的器件更有意义。图2比较了两个器件的电容:一个是SiHP17N60D，是平面器件；另一个是SiHP15N60E，是超结MOSFET，RDSON接近但略低。请注意，这些值是以对数标度绘制的。对于超结器件，COSS在100V时从136 pF降低到67 pF，但也变得更加非线性。在平面器件中，当VDS= 0V和100V时，COSS比是25:1，但现在增加了两倍，达到75:1。当VDS= 0时，COSS值大于输入电容CISS并不罕见。
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图二。平面MOSFET和超结MOSFET的电容比较
参考文献[4]-[9]试图从多方面解释COSS的非线性特性，并对其对高频开关的影响提出了新的见解。在对COSS曲线进行积分、仿真等复杂处理后，这些文献大多再次确认了电容的非线性性质。介绍了“小信号”电容和“大信号”电容等术语，并进行了仿真和分析。除了技术上不正确之外，从行业实践的角度来看，这些新术语没有任何区别。可以看出，所谓的大信号电容，无非是与时间相关的值COTR，在参考文献[4]发表后，已经被MOSFET业界标准化了很多年。精细仿真结果和产品数据值之间的显著差异仍在MOSFET产品描述和大规模生产所涉及的容差范围内。
另一种分析方法提出了与COSS串联的隐藏电阻，即ROSS，来描述所有与非线性电容相关的无法解释的损耗(见参考文献[10])。但这与基本电路理论相违背，基本电路理论明确指出电容器的充放电损耗完全由其中储存的能量决定，与任何串联电阻的值无关。关于ROSS，目前还没有人在半导体层面提出任何解释或实验验证，而本文提供的波形清楚地显示了导通的MOSFET体二极管，为这些损耗提供了更简单(如果不是太奇怪的话)的解释。事实上，体二极管导通是分析任何带感性负载的桥式电路的基本考虑因素。在最近的其他同行审查会议出版物(参考文献[11]和[12])中，已经指出COSS中存储的电荷和能量存在滞后现象，并且在不同的电压路径下可能存在差异。这种滞后的意义在于电荷守恒原理不适用于功率MOSFET。
不是挑战物理学的基本定律，而是重新审视，验证是否在适当的场合正确使用，更有启发性。这项调查提出了一个谜，所以它可能有点迷人—
如果两个电容器并联，充电到相同的电压并保持相同的存储电荷，是否必然得出它们也存储相同的能量？
根据众所周知的公式Q=CV和E=？CV2，答案应该是肯定的。似乎即使电容是非线性的，这个结论在任何电压下都应该成立。但遗憾的是，那些熟悉的关于储存电荷和能量的公式并不是普遍有效的，它们只适用于电容不变的特殊情况。更基本的关系是电容定义为电荷转移(w.r.t)电压的变化率，电压本身定义为单位电荷能量变化的度量。换句话说，基本关系是
C = dQ/dV，V = dE/dQ。
有一个隐含的假设，简单的电荷和能量方程在推导的时候有静态电容。对于非线性电容，电荷和能量必须由电容和电荷分别在电压中积分得到。为了进一步说明这一点，考虑图3所示的两个电容。参考值由电容器CREF提供。另一个电容的CV从1.5倍CREF线性变化到0.5倍CREF。在100伏时，它们带有相同的电荷。
这可以通过观察这两个电容的C x V面积清楚地看出，也可以通过对电容值进行电压积分来验证。但是，储存的能量完全不同。如果将储存的电荷在电压上积分，可以发现CREF在100V V时只有83.3%的储存能量，也可以看出，在75V时，CV的储存电荷比CREF多10%，但他们的能量是一样的。
图3。恒定电容和可变电容的比较
MOSFET制造商多年来一直在进行这些集成，但他们没有将其指定为电荷和能量，而是将其转换为两种不同的等效电容。
cotr–充电至80% VDSS时，具有与COSS相同存储电荷的固定电容器。
coer–充电至80% VDSS时，具有与COSS相同储能的固定电容器。
参考文献[4]给出了80%额定电压下“有效”COSS的经验值，与时变等效电容相同。然而，本应用笔记并未区分COTR和COER，两者已经变得非常不同，需要分开处理。注意，COTR和COER都是电压的函数；一个非线性函数的任何积分总会产生另一个非线性函数。因此，产品数据将它们定义在特定电压下，如额定VDS的80%或400V V。相同的COSS有两个不同的“等效”值，一个用于存储电荷，另一个用于存储能量，这或多或少可以解决上述问题。
COTR和科不仅彼此不同，而且它们之间的差异程度可以作为衡量非线性的指标。在我们的示例中，1.5:0.5的电容范围将在COTR和COER之间产生16.7%的差异。对于SiHP15N60E，相同的COTR/COER比率几乎是3.6。对于其他超结器件，电容范围可能宽于100:1，COTR/COER比可能高于10。图4a突出了SiHP15N60E中存储的电荷和能量之间的差异。作为电压的函数，这两个相关参数的变化率显著不同。在所有的电桥配置中，尤其是在ZVS模式下运行的电桥配置中，都需要考虑超大的COTR及其所隐含的超大总储存电荷。MOSFET输出电容的放电不同于去激励，设计和计算应基于COTR，而不是COER。当然，计算开关损耗仍然需要COER和能量(参考文献[3])。
现在应该很清楚，任何电压下的COSS绝对值都不再有意义。用户不再需要。不是电容与电路本身相互作用，而是存储的电荷和能量决定了行为。如果你查看任何涉及COSS的设计计算，你会发现，在某个地方，它通过乘以相关的电压因子，被转换为存储的电荷或能量。为了进一步帮助系统设计人员，包括Vishay在内的一些MOSFET制造商在其高压产品数据中，除了COTR和科尔之外，还提供了完整的EOSS曲线，如图4b所示。对于100V MOSFET，QOSS通常设置为50%，以帮助48V ZVS电桥线路中的死区时间分析。
类似的考虑也适用于栅漏电容CRSS，但其值远低于COSS。根据定义，它的价值已经包含在本文开头提到的COSS的度量中。事实上，CRRSS的非线性特性长期以来被认为是一个问题，并且在各种文献中被阐述。栅极电荷曲线中的QGD分量就是CRSS中存储的总电荷，它需要在开关导通或关断期间注入栅极或从栅极移除。请注意，栅极电荷曲线的分段线性划分不是由于所涉及的电容器的任何非线性特性。开启MOSFET的过程包括给两个不同的电容充电，这两个电容在关断状态下具有不同的电压(参见参考文献[2])。
在处理MOSFET时，记住它的电容不是由电介质分隔的两个电极组成的是很有用的。其电容本质上是瞬态的，主要是在开关间隔期间，此时器件受到高dV/dt的影响。等效电路中所示的电容揭示了半导体材料中有效电场与其电流之间的相互作用。只有当这种关系是线性的，这种启示才有意义。对于我们在今天的MOSFET器件中看到的极端非线性情况，毫不夸张地说，没有COSS或CRSS这样的东西。积分电容曲线不能揭示它们如何与电路的其余部分相互作用的任何信息。设计师需要专注于基础知识，直接处理存储的电荷和能量，而不是试图以某种方式线性化和拉直曲线。
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