软开关转换器的输出电容设计

图2(a)显示了输出电容的测量值及由公式(3)得出的拟合曲线。然而，对于具有更多非线性特性的新式超级结MOSFET而言，则简单的指数曲线拟合有时不够好。图2(b)显示了最新技术MOSFET的输出电容测量值及用公式(3)得出的拟合曲线。两者在高压区的差距将导致等效输出电容的巨大差异，因为在积分公式中电压与电容是相乘的。图2(b)中的估计将得出大得多的等效电容，这会误导转换器的初始设计。

　　图2：输出电容估算：(a)老式MOSFET，(b)新式MOSFET。

　　如果依据漏源电压变化的输出电容值可得，则输出电容储能可用公式(4)求出。虽然电容曲线显示在数据表中，但要想从图表中精确读出电容值并不容易。因此，依据漏源电压变化的输出电容储能将由最新功率MOSFET数据表中的图表给出。通过图3显示的曲线，使用公式(5)可以得到期望的直流总线电压下的等效输出电容。

　　图3：输出电容中的储能。

　　输出电容的常见问题

　　在许多情况下，开关电源设计人员会对MOSFET电容温度系数提出疑问，因为功率MOSFET通常工作在高温下。总的来说，可以认为MOSFET电容对于温度而言始终恒定。MOSFET电容由耗尽长度、掺杂浓度、沟道宽度和硅介电常数所决定，但所有这些因素都不会随温度而产生较大变化。而且MOSFET开关特性如开关损耗或开/关转换速度也不会随温度而产生较大变化，因为MOSFET是多数载流子器件，因而开关特性主要是由其电容决定。当温度上升时，等效串联栅极电阻会有略微增加。这会使MOSFET在高温下的开关速度稍许降低。图4显示了根据温度变化的电容。温度变化超过150度时，电容值的变化也不超过1%。

　　图4：MOSFET电容与温度的关系。

设计人员感兴趣的另一个地方是MOSFET电容的测试条件。大多数情况下，输出电容在1MHz频率和Vgs为0V的条件下测量。事实上存在着栅漏间电容、栅源间电容及漏源间电容。但实际上却不可能单独测量每一电容。因此，栅漏间电容和漏源间电容之和总称为输出电容，通过并联两个电容来测量。为使它们并联，将栅极与源极短接在一起，即Vgs=0V。在开关应用中，当MOSFET在栅极加偏置电压而导通时，输出电容通过MOSFET沟道而短路。仅当MOSFET关断时，输出电容值才值得考虑。关于频率，如图5所示，低压下的输出电容在低频时稍有增加。低频时，因为测试设备的限制，有时无法测量低漏源电压下的电容。图5中，当漏源电压小于4V时，100kHz时的电容将无法测出。虽然输出电容存在微小变化，但是等效输出电容却几乎恒定，因为低压下的输出电容微小变化不会对储能产生如图3所示那样大的影响。

　　图5：MOSFET电容与频率的关系。

　　本文小结

　　输出电容是软开关转换器设计的重要部分。设计人员必须慎重考虑等效电容值，而不是将其固定为漏源电压下的单一数值。