SiC MOSFET在开/关切换模式下运行。然而,了解其在线性状态下的行为是有用的,当驱动程序发生故障或设计人员为特定目的对其进行编程时,可能会发生这种情况。
电子元件的线性区(或有源区)是所有可用电流都无法流通的区域,它充当电流调节器。
不言而喻,功耗极高,而效率却极低。
但是,在某些情况下,电子元件在线性区域中运行,导致以下结果:
栅极电压V g不在厂家设定的正负极限,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;
漏极电流 I d由重要值表征;
组件耗散的功率非常高;
元件温度也很高;
电路效率低。
线性区可用于为采用 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下列属性的 SiC MOSFET 型号 C3M0160120D。图 1描述了接线图。
V ds : 1,200 V
I d : 17 A, 25 ˚C
RDS (开):160 m Ω
静态状态下的栅极电压:-4 V 至 15 V
最大功耗:97 W
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。
测试的目的是查看组件的各种参数,尤其是当它们在关闭或开启区域中不起作用时。
仿真还跟踪结点和散热器温度。
图 1:SiC MOSFET 线性区操作的接线图。
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。
直流扫描的模拟
该系统的电气仿真不包括瞬态模式,而是直流扫描模式,其中所有栅极的电源电压都将在 -4 V 至 15 V 的范围内以 10 mV 的步长进行检查。
您可以通过这种方式看到 MOSFET 如何对不同的栅极电压做出反应。以下是用于运行此类仿真的 SPICE 指令:
.dc v2 -4 15 0.01
该系统的电气仿真没有瞬态模式,而是直流扫描模式,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
我们要查看的第一张图是图 2 中的图,它显示了流经负载的电流作为栅极电压的函数。栅极上的电压由 X 轴表示,而负载上的电流由 Y 轴表示。
如您所见,该图可以分为三个不同的区域:
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 M Ω)。
因为栅极电压(从 7 V 到 15 V)足以使器件在决定时导通,所以器件位于右侧区域(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 m Ω)。
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 k Ω和 2 Ω 之间。
图 2:负载电流与栅极电压的关系图
设备消耗的功率
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:
左侧区域的栅极电压在 -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。在这种情况下,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。
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此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。
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。
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。
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个非常重要的特权,它允许设计人员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“T c ”和“T j ”端子,就可以监控两个温度。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 mm3 。
最后,在 图 5的图表中,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。
在线性区,温度很关键,在最高峰时,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。
图 5:结和散热器温度与栅极电压的关系图
音频放大器
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 和负载电阻也必须消耗大量电流。因此,系统始终以最大可用功率工作。
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%。
图 7:A 类放大信号和相关的 FFT 处理
结论
在当今的高效研究方法下,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。
审核编辑:郭婷
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