Energiespeicherung durch Ausgangskondensatoren in Schaltnetzteilen
Im Diagramm der Spannungs-Ladungs-Beziehung wird die Kapazität als diagonale Linie dargestellt, und die in der Kapazität gespeicherte Energie ist der Bereich unter der Linie. Obwohl die Ausgangskapazität des Leistungs-MOSFET nicht linear ist und je nach Drain-Spannung variiert, ist die in der Ausgangskapazität gespeicherte Energie immer noch der Bereich unter der nichtlinearen Kapazitätslinie. Wenn wir also eine gerade Linie finden können, die dieselbe Fläche ergibt wie die Fläche in der Kurve der variierenden Ausgangskapazität in Abb. 1, ist die Steigung der Linie genau die äquivalente Ausgangskapazität, die dieselbe Menge an gespeicherter Energie erzeugt.
Bei einigen älteren MOSFETs mit Planartechnologie kann der Entwickler die äquivalente Ausgangskapazität unter Umständen mithilfe einer Kurvenanpassung ermitteln, die auf den Ausgangskapazitätswerten im Datenblatt bei der üblicherweise angegebenen Drain-Source-Spannung von 25 V basiert.
Somit lässt sich die gespeicherte Energie aus einer einfachen Integralgleichung berechnen.
Schließlich beträgt die effektive Ausgangskapazität
gemessener Wert der Ausgangskapazität und die angepasste Kurve, die aus Gleichung (3) abgeleitet wurde. Dies funktioniert im Vergleich zum MOSFET der alten Technologie in Abb. 2(a) gut. Bei MOSFETs mit neueren Technologien wie der Superjunction-Technologie, bei denen die Ausgangskapazität stärker nichtlineare Eigenschaften aufweist, ist eine einfache exponentielle Kurvenanpassung jedoch manchmal nicht gut genug. Abbildung 2(b) zeigt die gemessene Ausgangskapazität eines MOSFET der neuen Technologie und die angepasste Kurve unter Verwendung von Gleichung (3). Beim äquivalenten Ausgangskapazitätswert führt die Lücke zwischen den beiden im Hochspannungsbereich zu einem enormen Unterschied, da die Spannung in der Integralgleichung mit der Kapazität multipliziert wird. Die Schätzung in Abbildung 2(b) führt zu einer viel größeren äquivalenten Kapazität, was das anfängliche Design des Konverters in die Irre führen kann.
Geschätzte Ausgangskapazität, (a) alter MOSFET, (b) neuer MOSFET
Wenn der Wert der Ausgangskapazität je nach Drain-Source-Spannung variiert, lässt sich die in der Ausgangskapazität gespeicherte Energie mithilfe von Gleichung (4) ermitteln. Obwohl die Kapazitätskurve im Datenblatt dargestellt ist, ist es nicht einfach, den Kapazitätswert aus dem Diagramm abzulesen**. Daher wird die in der Ausgangskapazität gespeicherte Energie basierend auf der Drain-Source-Spannung durch das Diagramm im *Datenblatt zum neuen Leistungs-MOSFET angegeben. Mithilfe der in Abbildung 3 dargestellten Kurve lässt sich die äquivalente Ausgangskapazität bei der gewünschten Gleichstrom-Busspannung (DC) mithilfe von Gleichung (5) ermitteln.
