線性狀態(tài)下的SiC MOSFET

SiC MOSFET在開/關(guān)切換模式下運(yùn)行。然而，了解其在線性狀態(tài)下的行為是有用的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序發(fā)生故障或設(shè)計(jì)人員為特定目的對(duì)其進(jìn)行編程時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。

電子元件的線性區(qū)（或有源區(qū)）是所有可用電流都無法流通的區(qū)域，它充當(dāng)電流調(diào)節(jié)器。

不言而喻，功耗極高，而效率卻極低。

但是，在某些情況下，電子元件在線性區(qū)域中運(yùn)行，導(dǎo)致以下結(jié)果：

柵極電壓V g不在廠家設(shè)定的正負(fù)極限，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)可用于為采用 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下列屬性的 SiC MOSFET 型號(hào) C3M0160120D。圖 1描述了接線圖。

V ds ： 1，200 V

I d ： 17 A， 25 ?C

RDS （開）：160 m Ω

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。

該電路使用低電流為負(fù)載供電，不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體施加任何壓力。

測(cè)試的目的是查看組件的各種參數(shù)，尤其是當(dāng)它們?cè)陉P(guān)閉或開啟區(qū)域中不起作用時(shí)。

仿真還跟蹤結(jié)點(diǎn)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。

直流掃描的模擬

該系統(tǒng)的電氣仿真不包括瞬態(tài)模式，而是直流掃描模式，其中所有柵極的電源電壓都將在 -4 V 至 15 V 的范圍內(nèi)以 10 mV 的步長進(jìn)行檢查。

您可以通過這種方式看到 MOSFET 如何對(duì)不同的柵極電壓做出反應(yīng)。以下是用于運(yùn)行此類仿真的 SPICE 指令：

.dc v2 -4 15 0.01

該系統(tǒng)的電氣仿真沒有瞬態(tài)模式，而是直流掃描模式，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

我們要查看的第一張圖是圖 2 中的圖，它顯示了流經(jīng)負(fù)載的電流作為柵極電壓的函數(shù)。柵極上的電壓由 X 軸表示，而負(fù)載上的電流由 Y 軸表示。

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 M Ω）。

因?yàn)闁艠O電壓（從 7 V 到 15 V）足以使器件在決定時(shí)導(dǎo)通，所以器件位于右側(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 m Ω）。

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 k Ω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)域的柵極電壓在 -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。在這種情況下，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)域置于此范圍內(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)溫控制也是一個(gè)非常重要的特權(quán)，它允許設(shè)計(jì)人員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“T c ”和“T j ”端子，就可以監(jiān)控兩個(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 mm3 。

最后，在 圖 5的圖表中，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)，溫度很關(guān)鍵，在最高峰時(shí)，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

在當(dāng)今的高效研究方法下，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。

審核編輯：郭婷