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电源设计之线性工作区中的SiC MOSFET

作者: 浮思特科技2024-05-31 14:13:27

  SIC MOSFET在开关状态下工作,然而,了解其在某些情况下(如驱动器故障或设计师编程的特定目的)线性工作区的行为也是很有用的,今天我们就来聊聊电源设计之线性工作区中的SiC MOSFET。

  线性区

  电子元件的线性区(或活跃区)是指其无法传递所有可用电流的区域,在该区域内其行为类似于一个电流调节器。显而易见,这样的情况下功率损耗很高,而效率则极低。然而,有些情况下电子元件工作在线性区,并且会发生以下情况:

  栅极电压Vg不在制造商设定的正负极限,而是接近中心区域。

  漏源电压Vds不接近零,而是处于更高的电压。

  漏电流Id呈现显著值。

  组件的功率损耗很高。

  组件温度也很高。

  电路效率低。

  线性区对于使用SiC MOSFET创建用于无线电发射机的A类模拟音频放大器很有用,但在组件驱动器发生故障时也可能出现。因此,设计师应对MOSFET前面的电路进行控制。

SiC mosfet

图1:碳化物MOSFET线性区操作的接线图

  MOSFET的电气原理图和线性操作

  在我们的例子中,使用了具有以下特性的SiC MOSFET型号C3M0160120D。电路图如图1所示。

  Vds:1200V

  Id:17A,25˚C

  RDS(on):160mΩ

  静态状态下的栅极电压:-4V至15V

  最大功率损耗:97W

  在以下直流模拟中,栅极上的电压跨越了制造商指示的整个范围(从-4V到15V),当然不会超过这些限制。电路向负载提供低电流,不会给半导体带来压力。测试的目的是观察组件在非开关状态或导通状态下的不同参数。模拟还监控了结温和散热器温度。

  电气原理图包括一个200V的电源(V1),一个非常稳健的100Ω电阻负载(R1),C3M0160120D SiC MOSFET(U1),以及一个用于驱动MOSFET栅极的可变电压发生器(从-4V到15V)(V2)。图中还包括一个散热器。

  直流扫描模拟

  系统的电气模拟不预见瞬态状态,而是直流扫描模式,其中将检查栅极所有供电电压,范围从-4V到15V,步长为10mV。通过这种方式,可以看到MOSFET对各种栅极电压的反应。执行这种模拟类型的SPICE指令如下:

  dc v2 -4 15 0.01

  系统的电气模拟没有瞬态模式,而是直流扫描模式,将在-4V到15V的范围内调查所有栅极供电电压,步长为10mV。

  负载电流图

  我们要检查的第一个图是关于负载上的电流与栅极电压的关系,如图2所示。X轴表示栅极电压,Y轴表示负载电流。正如你所见,图表可以分为三个不同的区域:

  左侧区域(蓝色):栅极电压(-4V到3V)不足以使器件导通,MOSFET不导电,DS结实际上是开路(约400MΩ)。

  右侧区域(绿色):栅极电压(7V到15V)足以使器件导通,器件处于饱和区,MOSFET导通最大电流,DS结实际上是闭合电路(约160mΩ)。

  中间区域(红色):栅极电压(3V到7V)使器件导通部分电流,MOSFET在这种情况下会发热,成为低效率的电流调节器,DS结的欧姆电阻在6kΩ到2Ω之间。

sic mosfet

图2:负载电流图与.闸门电压

  器件的功率损耗

  在前面的例子中,流经器件的电流代表典型操作,因为随着栅极电压的升高,DS通道的欧姆电阻降低。X轴表示栅极电压,Y轴表示MOSFET的功率损耗。另一方面,正如图3所示,功耗轨迹非常显著。在这种情况下,也可以看到三个不同的区域:

  左侧区域:栅极电压在-4V到2V之间。此时,MOSFET处于禁用状态,没有电流流经负载,功耗几乎为零。

  右侧区域:栅极电压在6V到15V之间。此时,MOSFET完全饱和状态,最大电流流经负载,功耗平均为1.5W。此功耗是由于RDS(on)的值,虽然它非常低,但在现代技术状态下仍然不等于零。

  中间区域:栅极电压在2V到6V之间。此时MOSFET处于线性区,功耗极高,峰值约为100W,导致大量热量积聚。尽管理论上必须避免将半导体的工作区域置于此范围内,但在某些情况下,设计师会故意这样做。

sic mosfet

图3:MOSFET相对的耗散功率图。闸门电压

系统效率

  系统的效率与MOSFET的功耗成反比。记住,计算通用电路效率的公式如下:

  图4显示了电路效率与栅极电压的关系趋势。当栅极电压在2V到5.5V之间时,MOSFET工作在线性区,因此系统效率不佳。当器件处于饱和区时,效率几乎达到100%。X轴表示栅极电压,Y轴表示电路效率,以百分比表示。

sic mosfet

图4:系统效率与效率之比较图闸门电压

  MOSFET的工作温度

  控制器件与散热器之间结的温度也是一个非常重要的前提,允许设计师正确设计相关电流和冷却系统的尺寸。借助LTspice库中的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。在此示例中,散热器材料为铝,其热阻(Rθ)等于0.2˚C/W。模拟的环境温度为25˚C。最后,电子元件与散热器之间的接触面积为300mm²,而后者的体积为5000mm³。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,但它们完全是以摄氏度表示的温度。请记住,域是栅极电压而不是时间。图表显示了两种不同的情况:

  在MOSFET的禁用和饱和区间,结温和散热器温度几乎等于环境温度,相当于25˚C,而栅极电压在-4V到2V之间,然后在9V到15V之间。

  在线性区间,温度很高,峰值时结温达到230˚C,散热器温度达到103˚C。在这些条件下,显然MOSFET会被破坏。

sic mosfet

图5:连接和散热器温度相对于.闸门电压

  音频放大器

  使用SiC MOSFET在线性工作区制作A类音频放大器是一个有趣的实验(参见原理图图6)。今天,使用A类放大器非常罕见。然而,当需要放大失真非常小的信号时,A类放大器非常有用。在音频方面,在这种情况下,器件在其全线性区内工作,确保高效性能。主要缺点是A类放大器产生大量热量,因为即使音频信号不存在,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。

sic mosfet

图6:A类放大器不扭曲音频信号,但产生大量热量

  在电气原理图中,负载电阻R1应至少能承受130W,而MOSFET耗散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(后者与第一个相位相反,频率为300Hz),最重要的是,谐波失真小于6%。

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图7:A类放大信号和相关的FFT处理

  在今天的高效研究方法中,在线性工作区使用半导体已不再有意义,采用PWM和开关解决方案显然能提供更高的性能保证。浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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