Power-MOSFETs
Ausgangskapazität korrekt bestimmen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die effektive Kapazität messen
Die effektive Kapazität messen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die effektive Ausgangskapazität eines MOSFETs zu messen. Eine konstante Spannung kann zum Laden der Ausgangskapazität verwendet werden, was einen zeitbezogenen Effektivwert ergibt. Eine zweite Methode ist das Laden der Ausgangskapazität mit einem konstanten Strom. Drittens kann die Kapazität als Funktion der Spannungskurve integriert werden, woraus sich sowohl energie- als auch zeitbezogene effektive Ausgangskapazitäten bestimmen lassen.
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Die erste Methode zur Messung der zeitbezogenen effektiven Kapazität ist ein Totem-Pole-Treiber (Bild 2). Der Treiber lädt den MOSFET über einen 100-kΩ-Widerstand auf seine Drain-Nennspannung, während die Drain-Spannung über ein Oszilloskop überwacht wird. Die Anstiegszeit tr der Senke (Drain) auf 80% der Nenn-Durchbruchspannung U(BR)DSS wird gemessen. Zusammen mit dem Widerstandswert dient dies zur Berechnung der effektiven Kapazität mithilfe von Gleichung (5) [1].
(5) 
Aufgelöst nach Coss,eff(tr) ergibt sich ein Wert von 6,2 ∙ 10-6 ∙ tr.
Um die energiebezogene effektive Ausgangskapazität zu messen, muss der MOSFET über die Schaltung in Bild 3 mit einem konstanten Strom geladen werden. Schaltet das Relais durch, beginnt die Messung. Die Zeit, die zum Laden der MOSFET-Ausgangskapazität erforderlich ist, wird gemessen und in Gleichung (6) eingebracht; dabei steht I für den Ladestrom für den MOSFET, du entspricht 80% der Nenn-Durchbruchspannung U(BR)DSS und dt ist die über die Testeinrichtung gemessene Zeit.
(6) 
Aufgelöst nach Coss,eff(tr) ergibt sich Gleichung (7).
(7) 
Eine andere Methode, die zeit- und energiebezogene Kapazität zu messen, ist die Kapazitäts-Spannungskurve, die im Datenblatt des MOSFET aufgeführt ist. Diese Methode ist vorteilhaft, da nur eine LCR-Brücke anstelle spezieller Ausrüstung erforderlich ist. Eine spannungsabhängige Kapazitätsfunktion wird an die gemessene Kapazitätskurve angepasst. Ist die Kapazitäts-Spannungsfunktion bekannt, lässt sich die zeitbezogene effektive Kapazität durch die Gleichung (10) bestimmen; dabei ist C(u) die spannungsabhängige Kapazität.
(10) 
Um die energiebezogene effektive Kapazität zu ermitteln, wird die gleiche spannungsabhängige Kapazitätsfunktion in Gleichung (10) eingesetzt.
Die Einzelpunkt-Ausgangskapazitätsmessung der Datenblätter kann zur Bestimmung der Ausgangskapazität sehr ungenau sein. Die Spannung an diesem Punkt schwankt von Datenblatt zu Datenblatt und kann die gesamte Kapazitätskurve nicht exakt wiedergeben. Durch energie- und zeitbezogene effektive Ausgangskapazitätswerte ergeben sich genauere Berechnungen.
Genauigkeit
Zwar sind die effektiven Kapazitätswerte auch nur Schätzungen, aber sie sind für die meisten Berechnungen ausreichend genau. Die tatsächlichen und geschätzten Werte für QOSS und EOSS sind bei U(BR)DSS in etwa gleich. QOSS-Werte können ebenfalls zur Berechnung der Verluste mittels Gleichung (11) verwendet werden.
(11) 
Darin ist Poc der Leistungsverlust, der durch die in der Ausgangskapazität gespeicherte Ladung entsteht. Die Gleichung dient auch zur Berechnung der Treiberverluste in MOSFETs. Natürlich müssen die Leitungsverluste beim Schalten zusätzlich mit einbezogen werden, um die gesamten Schaltverluste zu erhalten.
Über den Autor:
Alexander J. Young ist Applications Engineer für den Bereich MOSFETs bei ON Semiconductor.
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