電源設(shè)計(jì)說明：線性方案中的 SiC MOSFET

SiC MOSFET 在開關(guān)狀態(tài)下工作。然而，了解其在線性狀態(tài)下的行為是有用的，這可能發(fā)生在驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障的情況下，或者出于某些目的，當(dāng)設(shè)計(jì)者編程時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。

線性區(qū)

電子元件的線性區(qū)(或有源區(qū))是無法循環(huán)所有可用電流的區(qū)域，其行為就像電流調(diào)節(jié)器一樣。不言而喻，功耗非常高，而效率則相反，極低。但是，也有電子元件工作在直線區(qū)域的情況，會(huì)出現(xiàn)以下情況：

· 柵極電壓V g不在制造商設(shè)定的正負(fù)限制，而是位于中心區(qū)域附近。

· 漏源電壓V ds不接近于零，而是處于高得多的電壓。

· 漏極電流 I d由重要值表征。

· 組件耗散的功率非常高。

· 元件溫度也很高。

· 電路效率低。

線性區(qū)域可用于為使用 SiC MOSFET 的無線電發(fā)射器創(chuàng)建 A 類模擬音頻放大器，但也可能在組件驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)控制 MOSFET 之前的電路。

MOSFET的電氣圖和線性操作

在我們的示例中，使用了具有以下屬性的 SiC MOSFET 型號(hào) C3M0160120D。接線圖如圖1所示。

· V ds : 1,200 V

· I d : 17 A, 25?C

· R DS(on) : 160 mΩ

· 靜態(tài)狀態(tài)下的柵極電壓：–4 V 至 15 V

· 最大功耗：97 W

在以下直流模擬中，柵極上的電壓跨越制造商指定的整個(gè)范圍(從 –4 V 到 15 V)，當(dāng)然不會(huì)超出這些限制。該電路為負(fù)載提供低電流，不會(huì)使半導(dǎo)體應(yīng)變。測試的目的是觀察組件的不同參數(shù)，特別是當(dāng)它們?cè)陉P(guān)閉區(qū)域或開啟區(qū)域不起作用時(shí)。該仿真還監(jiān)控結(jié)溫和散熱器溫度。

圖 1：SiC MOSFET 線性區(qū)操作的接線圖

接線圖包括一個(gè) 200-V (V1) 電源、一個(gè)非常堅(jiān)固的 100-Ω 電阻負(fù)載 (R1)、C3M0160120D SiC MOSFET (U1) 和一個(gè)可變電壓發(fā)生器(從 –4 V 到 15 V)，用于用驅(qū)動(dòng)功能 (V2) 驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極。圖中還包括一個(gè)散熱器。

直流掃描模擬

系統(tǒng)的電氣仿真沒有預(yù)見瞬態(tài)狀態(tài)，而是采用 DC 掃描模式，其中將在 –4 V 和 15 V 之間的范圍內(nèi)以 10 mV 的步長檢查柵極的所有電源電壓。通過這種方式，您將看到 MOSFET 對(duì)各種柵極電壓的反應(yīng)。用于執(zhí)行此類仿真的 SPICE 指令如下：

.dc v2 -4 15 0.01

該系統(tǒng)的電氣仿真沒有瞬態(tài)模式，而是采用直流掃描模式，其中將在 –4 V 至 15 V 的范圍內(nèi)以 10 mV 的步長研究所有柵極的電源電壓。

加載電流圖

我們要檢查的第一張圖是與流過負(fù)載的電流有關(guān)的圖，具體取決于柵極電壓，如圖 2 所示。X 軸代表柵極上的電壓，Y 軸代表負(fù)載上的電流。如您所見，該圖可以分為三個(gè)不同的區(qū)域：

· 該組件位于左側(cè)的遮斷區(qū)域(藍(lán)色)，因?yàn)闁艠O電壓(從 –4 V 到 3 V)不足以導(dǎo)通器件。在這種情況下，MOSFET 不傳導(dǎo)電流，DS 結(jié)實(shí)際上是開路(約 400 MΩ)。

· 由于柵極電壓(從 7 V 到 15 V)足以使器件在決定時(shí)導(dǎo)通，因此器件位于右側(cè)區(qū)域(綠色)，其中組件處于飽和區(qū)。在這種情況下，MOSFET 傳導(dǎo)最大電流，DS 結(jié)實(shí)際上是一個(gè)閉合電路(約 160 mΩ)。

· 元件位于線性區(qū)域的中心區(qū)域(紅色)是柵極電壓(從 3 V 到 7 V)允許器件傳導(dǎo)部分電流的位置。在這種情況下，MOSFET 會(huì)發(fā)熱很多，并用作低效率電流調(diào)節(jié)器。DS 結(jié)的歐姆電阻在 6 kΩ 和 2 Ω 之間。

圖 2：負(fù)載電流與柵極電壓的關(guān)系圖

設(shè)備消耗的功率

在前面的示例中，流經(jīng)器件的電流代表典型操作，因?yàn)?DS 通道的歐姆電阻會(huì)隨著柵極電壓的升高而降低。柵極上的電壓表示在 X 軸上，MOSFET 消耗的功率表示在 Y 軸上。另一方面，如圖 3中的圖表所示，耗散功率的軌跡非常引人注目。在這種情況下，還可以看到三個(gè)單獨(dú)的部分：

· 左側(cè)區(qū)域的柵極電壓介于 –4 V 和 2 V 之間。在這種情況下，MOSFET 處于禁用狀態(tài)，沒有電流從負(fù)載流出，耗散功率幾乎為零。

· 右側(cè)區(qū)域的柵極電壓在 6 V 和 15 V 之間。這種情況下，MOSFET 處于完全飽和狀態(tài)，最大電流通過負(fù)載，平均耗散功率為 1.5 W。這種耗散是由于 R DS(on)的值，盡管它非常低，但在現(xiàn)代技術(shù)狀態(tài)下還不等于零。

· 由于柵極電壓在 2 V 和 6 V 之間，MOSFET 位于中心區(qū)域的線性區(qū)域。在這種情況下，MOSFET 處于有源區(qū)，并且耗散功率非常高，在 100 W 左右達(dá)到峰值，并導(dǎo)致大量熱量積聚。雖然理論上避免將半導(dǎo)體的工作區(qū)域置于該范圍內(nèi)是至關(guān)重要的，但在某些情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)故意選擇這樣做。

圖 3：MOSFET 功耗與柵極電壓的關(guān)系圖

效率

系統(tǒng)的效率也與 MOSFET 消耗的功率成反比。請(qǐng)記住，計(jì)算通用電路效率的公式如下。

圖 4中的圖表顯示了與柵極電壓相關(guān)的電路效率趨勢(shì)。當(dāng)后者大約在 2 V 和 5.5 V 之間時(shí)，MOSFET 工作在線性區(qū)域，因此系統(tǒng)的效率不是最佳的。當(dāng)設(shè)備處于飽和區(qū)時(shí)，該值幾乎達(dá)到 100%。X 軸代表柵極上的電壓，Y 軸代表電路的效率，以百分比表示。

圖 4：系統(tǒng)效率與柵極電壓的關(guān)系圖

MOSFET的工作溫度

器件和散熱器之間的結(jié)溫控制也是一項(xiàng)非常重要的特權(quán)，它使設(shè)計(jì)人員能夠正確確定所涉及的電流和冷卻系統(tǒng)的尺寸。由于采用了 LTspice 庫中提供的 SOAtherm-HeatSink 模型，只要SPICE半導(dǎo)體組件配備“Tc”和“Tj”端子，就可以監(jiān)控這兩個(gè)溫度。在這個(gè)例子中，散熱器的材料是鋁。其熱阻 (Rθ) 等于 0.2?C/W。模擬的環(huán)境溫度為 25?C。最后，電子元件與散熱器的接觸面積為300 mm 2，而后者的體積為5,000 mm 3。最后，在圖中圖 5可以觀察到與結(jié)和散熱器相關(guān)的溫度趨勢(shì)。盡管圖表將它們報(bào)告為以伏特表示的電壓，但它們是以攝氏度表示的成熟溫度。請(qǐng)記住，域是柵極電壓的域，而不是時(shí)間的域。該圖顯示了兩種不同的情況：

· 在 MOSFET 的阻斷和飽和區(qū)，結(jié)溫和散熱器溫度實(shí)際上等于環(huán)境溫度，相當(dāng)于 25?C，而柵極電壓介于 –4 V 和 2 V 之間，然后介于 9 V 和 15 V 之間。

· 在線性區(qū)域，溫度非常關(guān)鍵，在最高峰值處，結(jié)達(dá)到 230°C，散熱器達(dá)到 103°C。在這些條件下，顯然 MOSFET 被破壞了。

圖 5：結(jié)和散熱器溫度與柵極電壓的關(guān)系圖

音頻放大器

在線性狀態(tài)下使用 SiC MOSFET 制作 A 類音頻放大器是一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)(參見圖 6中的原理圖)。今天，使用 A 類放大器極為罕見。但是，當(dāng)您需要以非常小的失真放大信號(hào)時(shí)，A 類放大器非常有用。從音頻的角度來看，在這種情況下，設(shè)備在其完整的線性區(qū)域內(nèi)工作，確保了高效的性能。主要缺點(diǎn)是 A 類放大器會(huì)產(chǎn)生大量熱量以消散，因?yàn)榧词箾]有音頻信號(hào)，MOSFET 和負(fù)載電阻器也必須消耗大量電流。因此，系統(tǒng)始終以最大可用功率工作。

圖 6：A 類放大器不會(huì)使音頻信號(hào)失真，但會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

在接線圖中，負(fù)載電阻R1至少應(yīng)該能夠承受130W，而MOSFET的功耗為60W。顯然，提供的聲音功率要低得多，效率也很低。在圖 7 中，可以觀察到輸入和輸出信號(hào)(后者與第一個(gè)信號(hào)反相，頻率為 300 Hz)，最重要的是，諧波失真小于 6%。

圖 7：A 類放大信號(hào)和相關(guān)的 FFT 處理

結(jié)論

以當(dāng)今的高效研究方法，在線性狀態(tài)下使用半導(dǎo)體不再有意義，而依靠 PWM 和開關(guān)解決方案要好得多，這無疑提供了更高的性能保證。