Cálculo de capacitancia en MOSFET
Las definiciones básicas de los tres condensadores asociados con los MOSFET se muestran en las Figuras 1a y 1b. Medir estas capacitancias en función de VDS no es una tarea sencilla y algunas de ellas deben cortocircuitarse o dejarse desconectadas. Finalmente se midieron tres valores definidos de la siguiente manera y se dieron en los datos del producto:
CISS = CGS+CGDCOSS = CDS+CDGCRSS = CGD
Entre estos tres valores, el condensador de entrada CGS tiene una no linealidad mínima. Es la capacitancia entre la estructura de la puerta y la fuente y no cambia mucho en función del VDS. La CGD, por otra parte, es extremadamente no lineal. Para los dispositivos de superunión, el rango de variación para los primeros 100 V es de casi tres órdenes de magnitud. Esta es también la razón del pequeño tamaño del paso de CISS cuando VDS=0.
Recientemente, muchas personas están interesadas en comprender las características de COSS y su impacto en la conmutación de alta frecuencia. Hay varias razones para esto, por ejemplo, la carga y las pérdidas almacenadas en COSS se han convertido en los mayores desafíos en la realización de convertidores AC-DC de alta frecuencia. En términos generales, cualquier pérdida asociada con la capacitancia es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. Como se señala en la referencia [3], el almacenamiento de energía y la pérdida del mismo condensador a 550 V es 2100 veces mayor que a 12 V. A medida que la gente presta cada vez más atención a la reducción de RDSON, la pérdida de conducción ha disminuido significativamente, pero COSS no. tuvo éxito. La proporción cayó. Por ejemplo, antes, el RDSON más bajo de MOSFET de 600 V en TO-220 era de 340 mW. Ahora, este valor ha caído a 65 mW en dispositivos de superunión de 600 V. Para los condensadores, tiene más sentido comparar dispositivos con valores RDSON similares entre diferentes tecnologías. La Figura 2 compara la capacitancia de dos dispositivos: uno es SiHP17N60D, que es un dispositivo plano; el otro es SiHP15N60E, que es un MOSFET de superunión. El RDSON está cerca pero ligeramente más bajo. Tenga en cuenta que estos valores se representan en una escala logarítmica. Para los dispositivos de superunión, COSS disminuye de 136 pF a 67 pF a 100 V, pero también se vuelve más no lineal. En los dispositivos planos, la relación COSS era de 25:1 cuando VDS = 0 V y 100 V, pero ahora se ha triplicado a 75:1. Cuando VDS = 0, no es raro que el valor COSS sea mayor que la capacitancia de entrada CISS.
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Figura 2. Comparación de capacitancia entre MOSFET plano y MOSFET de superunión
Las referencias [4]-[9] intentan explicar las características no lineales de COSS desde muchos aspectos y proporcionar nuevos conocimientos sobre su impacto en la conmutación de alta frecuencia. Después de realizar procesamientos complejos como integración y simulación en la curva COSS, la mayoría de estos documentos reconfirmaron la naturaleza no lineal del capacitor. Se introducen, simulan y analizan los términos capacitancia de "señal pequeña" y capacitancia de "señal grande". Aparte de ser técnicamente incorrectos, estos nuevos términos no suponen ninguna diferencia desde la perspectiva de la práctica industrial. Se puede ver que la llamada capacitancia de señal grande no es más que el valor COTR relacionado con el tiempo, que ha sido estandarizado por la industria MOSFET durante muchos años después de la publicación de la referencia [4]. Las diferencias significativas entre los resultados de la simulación fina y los valores de los datos del producto todavía se encuentran dentro de las tolerancias involucradas en las descripciones de productos MOSFET y la producción en masa.
Otro método de análisis propone una resistencia oculta en serie con COSS, concretamente ROSS, para describir todas las pérdidas inexplicables relacionadas con la capacitancia no lineal (ver Referencia [10]). Pero esto va en contra de la teoría básica de circuitos, que establece claramente que las pérdidas de carga y descarga de un condensador están determinadas enteramente por la energía almacenada en él, independientemente del valor de cualquier resistencia en serie.
Con respecto a ROSS, nadie ha encontrado aún ninguna explicación o verificación experimental a nivel de semiconductor, y las formas de onda proporcionadas en este artículo muestran claramente el diodo conductor del cuerpo MOSFET, lo que proporciona una explicación más simple (si no demasiado extraña) para estas pérdidas. De hecho, la conducción del diodo del cuerpo es una consideración fundamental en el análisis de cualquier circuito puente con cargas inductivas. En otras publicaciones recientes de conferencias revisadas por pares (Referencias [11] y [12]), se ha señalado que existe histéresis en la carga y la energía almacenadas en COSS y que puede haber diferencias bajo diferentes rutas de voltaje. La importancia de esta histéresis es que el principio de conservación de carga no se aplica a los MOSFET de potencia.
En lugar de desafiar las leyes básicas de la física, es más esclarecedor reexaminar y verificar si se utiliza correctamente en situaciones apropiadas. Esta investigación plantea un misterio, por lo que podría resultar un poco fascinante:
Si dos condensadores se conectan en paralelo, se cargan al mismo voltaje y mantienen la misma carga almacenada, ¿se sigue necesariamente que también almacenan la misma carga? misma energía?
Según las conocidas fórmulas Q=CV y E=? CV2, la respuesta debería ser sí. Parece que esta conclusión debería ser válida para cualquier voltaje, incluso si la capacitancia no es lineal. Desafortunadamente, esas fórmulas familiares para almacenar carga y energía no son universalmente válidas; sólo se aplican al caso especial de capacitancia constante; Una relación más básica es que la capacitancia se define como la tasa de cambio del voltaje de transferencia de carga (wrt), que a su vez se define como una medida del cambio de energía por unidad de carga. En otras palabras, las relaciones básicas son
C = dQ/dV, V = dE/dQ.
Existe una suposición implícita de que las ecuaciones simples de carga y energía tienen capacitancia estática al derivarlas. Para capacitores no lineales, la carga y la energía deben obtenerse integrando la capacitancia y la carga en el voltaje, respectivamente. Para ilustrar mejor este punto, considere los dos condensadores que se muestran en la Figura 3. El valor de referencia lo proporciona el condensador CREF. El CV del otro condensador cambia linealmente de 1,5 veces CREF a 0,5 veces CREF. A 100 voltios tienen la misma carga.
Esto se puede ver claramente observando las áreas C x V de estos dos capacitores, y también se puede verificar integrando el voltaje los valores de capacitancia. Sin embargo, la energía almacenada es completamente diferente. Si la carga almacenada se integra sobre el voltaje, se puede encontrar que CREF tiene solo el 83,3% de la energía almacenada a 100V. También se puede ver que a 75V, la carga almacenada de CV es un 10% más que CREF, pero su. la energía es la misma.
Figura 3. Comparación de capacitancia constante y variable
Los fabricantes de MOSFET han estado haciendo estas integraciones durante años, pero en lugar de especificarlas como carga y energía, las convirtieron en dos capacitancias equivalentes diferentes.
cotr: un condensador fijo con la misma carga almacenada que COSS cuando se carga al 80 % de VDSS.
coer: un condensador fijo con el mismo almacenamiento de energía que COSS cuando se carga al 80 % de VDSS.
La referencia [4] proporciona el valor empírico de COSS "efectivo" al 80% de la tensión nominal, que es lo mismo que la capacitancia equivalente variable en el tiempo. Sin embargo, esta nota de aplicación no distingue entre COTR y COER, que se han vuelto muy diferentes y deben tratarse por separado. Tenga en cuenta que tanto COTR como COER son funciones de voltaje; cualquier integración de una función no lineal siempre produce otra función no lineal. Por lo tanto, los datos del producto los definen a un voltaje específico, como el 80 % del VDS nominal o 400 V V. Un mismo COSS tiene dos valores "equivalentes" diferentes, uno para almacenar carga y otro para almacenar energía, lo que soluciona más o menos el problema anterior.
COTR y CO no sólo son diferentes entre sí, sino que el grado en el que difieren se puede utilizar como medida de no linealidad. En nuestro ejemplo, un rango de capacitancia de 1,5:0,5 produciría una diferencia del 16,7% entre COTR y COER. Para SiHP15N60E, la misma relación COTR/COER es casi 3,6. Para otros dispositivos de superunión, el rango de capacitancia puede ser mayor que 100:1 y la relación COTR/COER puede ser mayor que 10. La Figura 4a resalta la diferencia entre carga y energía almacenada en SiHP15N60E. Las tasas de cambio de estos dos parámetros relacionados son significativamente diferentes en función del voltaje.
En todas las configuraciones de puentes, especialmente aquellas que operan en modo ZVS, se debe considerar el COTR extremadamente grande y la carga total almacenada extremadamente grande asociada. La descarga del condensador de salida MOSFET es diferente de la desexcitación, y el diseño y cálculo deben basarse en COTR, no en COER. Por supuesto, calcular las pérdidas por conmutación todavía requiere COER y energía (Referencia [3]).
A estas alturas ya debería quedar claro que el valor absoluto de COSS a cualquier voltaje ya no es significativo. El usuario ya no lo necesita. No es la capacitancia la que interactúa con el circuito en sí, sino la carga y la energía almacenadas las que determinan el comportamiento. Si observa cualquier cálculo de diseño que involucre COSS, encontrará que en algún lugar se convierte en carga o energía almacenada multiplicándolo por el factor de voltaje relevante. Para ayudar aún más a los diseñadores de sistemas, algunos fabricantes de MOSFET, incluido Vishay, proporcionan curvas EOSS completas además de COTR y Cole en sus datos de productos de alto voltaje, como se muestra en la Figura 4b. Para MOSFET de 100 V, QOSS generalmente se establece en 50 % para ayudar al análisis del tiempo muerto en circuitos de puente ZVS de 48 V.
Se aplican consideraciones similares a la capacitancia CRSS de puerta a drenaje, pero su valor es mucho menor que el de COSS. Por definición, su valor ya está incluido en la métrica COSS mencionada al principio de este artículo. De hecho, las propiedades no lineales de CRRSS se han considerado durante mucho tiempo un problema y se han abordado en diversas publicaciones. El componente QGD de la curva de carga de la compuerta es la carga total almacenada en el CRSS que debe inyectarse o retirarse de la compuerta durante el encendido o apagado del interruptor. Tenga en cuenta que la división lineal por partes de la curva de carga de la compuerta no se debe a ninguna propiedad no lineal de los condensadores involucrados. El proceso de encender un MOSFET implica cargar dos condensadores diferentes, que tienen diferentes voltajes en el estado apagado (consulte la Referencia [2]).
A la hora de tratar con un MOSFET, conviene recordar que su capacitancia no consta de dos electrodos separados por un dieléctrico. Su capacitancia es de naturaleza transitoria, principalmente durante los intervalos de conmutación cuando el dispositivo está sujeto a dV/dt altos. La capacitancia que se muestra en el circuito equivalente revela la interacción entre el campo eléctrico efectivo en un material semiconductor y su flujo de corriente. Esta revelación sólo tiene sentido si la relación es lineal. Para las extremas no linealidades que vemos en los dispositivos MOSFET actuales, no es exagerado decir que no existen COSS o CRSS. La integración de curvas de capacitancia no revela ninguna información sobre cómo interactúan con el resto del circuito. Los diseñadores deben centrarse en lo básico y tratar directamente con la carga y la energía almacenadas en lugar de intentar linealizar y enderezar de alguna manera la curva.
Para obtener más información, visite uux 1e 1 mnl 1gs:/IC-detail/9_8625.html.