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[导读]SiC MOSFET 在开关状态下工作。然而,了解其在线性状态下的行为是有用的,这可能发生在驱动器发生故障的情况下,或者出于某些目的,当设计者编程时会发生这种情况。

365bet下载地址 SiC MOSFET 在开关状态下工作。然而,了解其在线性状态下的行为是有用的,这可能发生在驱动器发生故障的情况下,或者出于某些目的,当设计者编程时会发生这种情况。

线性区

电子元件的线性区(或有源区)是无法循环所有可用电流的区域,其行为就像电流调节器一样。不言而喻,功耗非常高,而效率则相反,极低。但是,也有电子元件工作在直线区域的情况,会出现以下情况:

365bet下载地址 · 栅极电压V g不在制造商设定的正负限制,而是位于中心区域附近。

· 漏源电压V ds不接近于零,而是处于高得多的电压。

365bet下载地址 · 漏极电流 I d由重要值表征。

365bet下载地址 · 组件耗散的功率非常高。

365bet下载地址 · 元件温度也很高。

· 电路效率低。

365bet下载地址 线性区域可用于为使用 SiC MOSFET 的无线电发射器创建 A 类模拟音频放大器,但也可能在组件驱动器发生故障时发生。因此,设计人员应控制 MOSFET 之前的电路。

MOSFET的电气图和线性操作

在我们的示例中,使用了具有以下属性的 SiC MOSFET 型号 C3M0160120D。接线图如图1所示。

· V ds : 1,200 V

· I d : 17 A, 25˚C

· R DS(on) : 160 mΩ

· 静态状态下的栅极电压:–4 V 至 15 V

· 最大功耗:97 W

365bet下载地址 在以下直流模拟中,栅极上的电压跨越制造商指定的整个范围(从 –4 V 到 15 V),当然不会超出这些限制。该电路为负载提供低电流,不会使半导体应变。测试的目的是观察组件的不同参数,特别是当它们在关闭区域或开启区域不起作用时。该仿真还监控结温和散热器温度。



电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET

图 1:SiC MOSFET 线性区操作的接线图

365bet下载地址 接线图包括一个 200-V (V1) 电源、一个非常坚固的 100-Ω 电阻负载 (R1)、C3M0160120D SiC MOSFET (U1) 和一个可变电压发生器(从 –4 V 到 15 V),用于用驱动功能 (V2) 驱动 MOSFET 栅极。图中还包括一个散热器。

365bet下载地址 直流扫描模拟

365bet下载地址 系统的电气仿真没有预见瞬态状态,而是采用 DC 扫描模式,其中将在 –4 V 和 15 V 之间的范围内以 10 mV 的步长检查栅极的所有电源电压。通过这种方式,您将看到 MOSFET 对各种栅极电压的反应。用于执行此类仿真的 SPICE 指令如下:

365bet下载地址 .dc v2 -4 15 0.01

365bet下载地址 该系统的电气仿真没有瞬态模式,而是采用直流扫描模式,其中将在 –4 V 至 15 V 的范围内以 10 mV 的步长研究所有栅极的电源电压。

加载电流图

我们要检查的第一张图是与流过负载的电流有关的图,具体取决于栅极电压,如图 2 所示。X 轴代表栅极上的电压,Y 轴代表负载上的电流。如您所见,该图可以分为三个不同的区域:

365bet下载地址 · 该组件位于左侧的遮断区域(蓝色),因为栅极电压(从 –4 V 到 3 V)不足以导通器件。在这种情况下,MOSFET 不传导电流,DS 结实际上是开路(约 400 MΩ)。

365bet下载地址 · 由于栅极电压(从 7 V 到 15 V)足以使器件在决定时导通,因此器件位于右侧区域(绿色),其中组件处于饱和区。在这种情况下,MOSFET 传导最大电流,DS 结实际上是一个闭合电路(约 160 mΩ)。

· 元件位于线性区域的中心区域(红色)是栅极电压(从 3 V 到 7 V)允许器件传导部分电流的位置。在这种情况下,MOSFET 会发热很多,并用作低效率电流调节器。DS 结的欧姆电阻在 6 kΩ 和 2 Ω 之间。


电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET

图 2:负载电流与栅极电压的关系图

365bet下载地址 设备消耗的功率

365bet下载地址 在前面的示例中,流经器件的电流代表典型操作,因为 DS 通道的欧姆电阻会随着栅极电压的升高而降低。栅极上的电压表示在 X 轴上,MOSFET 消耗的功率表示在 Y 轴上。另一方面,如图 3中的图表所示,耗散功率的轨迹非常引人注目。在这种情况下,还可以看到三个单独的部分:

365bet下载地址 · 左侧区域的栅极电压介于 –4 V 和 2 V 之间。在这种情况下,MOSFET 处于禁用状态,没有电流从负载流出,耗散功率几乎为零。

· 右侧区域的栅极电压在 6 V 和 15 V 之间。这种情况下,MOSFET 处于完全饱和状态,最大电流通过负载,平均耗散功率为 1.5 W。这种耗散是由于 R DS(on)的值,尽管它非常低,但在现代技术状态下还不等于零。

365bet下载地址 · 由于栅极电压在 2 V 和 6 V 之间,MOSFET 位于中心区域的线性区域。在这种情况下,MOSFET 处于有源区,并且耗散功率非常高,在 100 W 左右达到峰值,并导致大量热量积聚。虽然理论上避免将半导体的工作区域置于该范围内是至关重要的,但在某些情况下,设计人员会故意选择这样做。

电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET


图 3:MOSFET 功耗与栅极电压的关系图

效率

系统的效率也与 MOSFET 消耗的功率成反比。请记住,计算通用电路效率的公式如下。

365bet下载地址 图 4中的图表显示了与栅极电压相关的电路效率趋势。当后者大约在 2 V 和 5.5 V 之间时,MOSFET 工作在线性区域,因此系统的效率不是最佳的。当设备处于饱和区时,该值几乎达到 100%。X 轴代表栅极上的电压,Y 轴代表电路的效率,以百分比表示。

电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET


365bet下载地址 图 4:系统效率与栅极电压的关系图

MOSFET的工作温度

器件和散热器之间的结温控制也是一项非常重要的特权,它使设计人员能够正确确定所涉及的电流和冷却系统的尺寸。由于采用了 LTspice 库中提供的 SOAtherm-HeatSink 模型,只要SPICE半导体组件配备“Tc”和“Tj”端子,就可以监控这两个温度。在这个例子中,散热器的材料是铝。其热阻 (Rθ) 等于 0.2˚C/W。模拟的环境温度为 25˚C。最后,电子元件与散热器的接触面积为300 mm 2,而后者的体积为5,000 mm 3。最后,在图中图 5可以观察到与结和散热器相关的温度趋势。尽管图表将它们报告为以伏特表示的电压,但它们是以摄氏度表示的成熟温度。请记住,域是栅极电压的域,而不是时间的域。该图显示了两种不同的情况:

· 在 MOSFET 的阻断和饱和区,结温和散热器温度实际上等于环境温度,相当于 25˚C,而栅极电压介于 –4 V 和 2 V 之间,然后介于 9 V 和 15 V 之间。

365bet下载地址 · 在线性区域,温度非常关键,在最高峰值处,结达到 230°C,散热器达到 103°C。在这些条件下,显然 MOSFET 被破坏了。


电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET

365bet下载地址 图 5:结和散热器温度与栅极电压的关系图

音频放大器

365bet下载地址 在线性状态下使用 SiC MOSFET 制作 A 类音频放大器是一个有趣的实验(参见图 6中的原理图)。今天,使用 A 类放大器极为罕见。但是,当您需要以非常小的失真放大信号时,A 类放大器非常有用。从音频的角度来看,在这种情况下,设备在其完整的线性区域内工作,确保了高效的性能。主要缺点是 A 类放大器会产生大量热量以消散,因为即使没有音频信号,MOSFET 和负载电阻器也必须消耗大量电流。因此,系统始终以最大可用功率工作。


电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET

图 6:A 类放大器不会使音频信号失真,但会产生大量热量。

在接线图中,负载电阻R1至少应该能够承受130W,而MOSFET的功耗为60W。显然,提供的声音功率要低得多,效率也很低。在图 7 中,可以观察到输入和输出信号(后者与第一个信号反相,频率为 300 Hz),最重要的是,谐波失真小于 6%。

电源设计说明:线性方案中的 SiC MOSFET

365bet下载地址 图 7:A 类放大信号和相关的 FFT 处理

结论

365bet下载地址 以当今的高效研究方法,在线性状态下使用半导体不再有意义,而依靠 PWM 和开关解决方案要好得多,这无疑提供了更高的性能保证。


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