電源設(shè)計中測量SIC的絕對最大額定值

絕對最大額定值是電子元件中不得超過的操作參數(shù)的最大值。它們涉及電壓、電流、功率、溫度和其他測量單位。如果超過這些值，組件的性能就會很差，甚至更糟的是，它會被破壞和燒毀。我們將分析如何觀察這些值以及如何防止它們被超出。

組件的絕對最大額定值

任何電子元件都必須在最大條件下工作，超過該條件將無法正常工作。很多時候，設(shè)計人員在評估這些參數(shù)時會犯很多錯誤，并且在沒有任何預(yù)測的情況下，電子元件會燒壞。在官方的SiC數(shù)據(jù)表中，通常需要遵守以下組件支持的最大值，不得超過：

漏極——源極電壓；

持續(xù)漏電流；

脈沖漏極電流；

柵極 - 源極電壓；

柵源浪涌電壓；

推薦驅(qū)動電壓；

結(jié)溫；

存儲溫度范圍。

其他類型的電子元件以其他參數(shù)為特征。有些值可能會根據(jù)它們的溫度發(fā)生變化，因此設(shè)計人員的注意力，在這種情況下，必須處于最高水平。讓我們看一個關(guān)于圖 1所示功率晶體管 BD243 的實(shí)際例子。它的一些不可超過的最大值如下：

集電極 - 發(fā)射極電壓：80 VDC；

集電極電流（連續(xù)）：6 A；

設(shè)備總功耗：65 W。

如果不超過的值被單獨(dú)檢查和考慮，電路的最終情況將是災(zāi)難性的。事實(shí)上，設(shè)計人員可以只考慮電壓和電流參數(shù)。他可以設(shè)計一個集電極-發(fā)射極電壓為 50 V（完全在限制范圍內(nèi)）和 4 A 集電極電流（也在限制范圍內(nèi)）的穩(wěn)壓器。設(shè)計人員可能對計算結(jié)果感到滿意，但更仔細(xì)的檢查表明該設(shè)備消耗的功率等于：

P = V * I

P = 50 * 4 = 200 瓦

盡管電壓和電流完全落在最大允許值內(nèi)，但晶體管會立即燃燒，消耗 200 W 功率。事實(shí)上，該組件只能承受 65 W。因此，有必要檢查所有關(guān)鍵參數(shù)，以免在設(shè)備的最終測試期間遇到令人討厭的意外。

圖 1：BD243 功率晶體管

用于測試的 SiC Mosfet

用于測量和測試的模型是 ROHM SiC N 溝道功率 MOSFET SCT3160KL，如圖2所示。它的特點(diǎn)是：

VDSS：1200 伏；

封裝：TO-247N；

RDS（開）（典型值）：160 毫歐；

編號：17A；

脈沖漏極電流 ID：42 A；

功率：103 瓦；

柵極 – 源極電壓 （DC）：-4 V 至 +22 V；

低導(dǎo)通電阻；

切換速度快；

快速反向恢復(fù)；

易于并行。

圖 2：ROHM 的 SCT3160KL 碳化硅功率 MOSFET

最大功率

如果我們讓 SiC 在允許的最大電壓和最大電流下工作，Mosfet 就會燒壞。最大 VDSS 電壓為 1200V，最大 ID 電流為 17A，理論功耗約為 20400W，這是一個非常大的值 （P = V * I）。顯然，無論是出于結(jié)構(gòu)還是冷卻的原因，這個限制永遠(yuǎn)無法達(dá)到，制造商設(shè)定的最大功率限制僅為 103 W。這個參數(shù)與理論上可達(dá)到的參數(shù)相去甚遠(yuǎn)。在下一個仿真中，使用圖 3的簡單電氣圖執(zhí)行，我們將繪制組件的電壓、電流和電流功率曲線，以及最大耗散功率曲線。

圖 3：功率測量應(yīng)用圖

該模擬涉及通過電源電壓 V1 的“掃描”操作測試 SiC 支持的最大功率。特別是電路的特點(diǎn)如下：

電源電壓 V1 從 0 V 到 2500 V 連續(xù)遞增；

柵極電壓：22V；

5 歐姆 R1 負(fù)載。

SPICE 指令以等于 1 V 的步長實(shí)現(xiàn)電源電壓從 0 V 到 2500 V 的“掃描”，如下所示：

.dc V1 0 2500 1

很明顯，隨著電源電壓V1的逐漸增加，Drain電壓、Drain電流和SiC耗散的功率以及負(fù)載R1的耗散功率也隨之增加。由于組件行為的非線性，這些增加不遵循成比例的趨勢。讓我們首先檢查圖 4 中電源電壓（淺色圖）和 Vds 電壓（深色圖）的趨勢。對于這種類型的阻性負(fù)載，Vds 電壓的值隨著電源 V1 的增加不成比例地增加。請記住，單獨(dú)考慮電壓參數(shù)來評估組件的物理和電氣限制是錯誤的。

圖 4：圖表僅顯示電源電壓 V1 和電壓 Vds

現(xiàn)在讓我們檢查 Drain 電流的趨勢（在圖 5 中），它與通過負(fù)載 R1 的電流相同。盡管 Vds 電壓低于圖中大部分的限值，但漏極電流幾乎立即達(dá)到其最大限值。這意味著，在電路的工作條件下，只有電壓Vds低于88V才能使用Mosfet。另外在這種情況下我們提醒您，只考慮電流參數(shù)來評估是錯誤的物理限制和電氣元件。

圖 5：圖表僅顯示在 Mosfet Drain 上流動的電流

圖 6 中顯示的最終圖更難理解，但它提供了真實(shí)情況和組件的正確管理。讓我們看看如何閱讀它。該圖由以下曲線組成，根據(jù)接線圖使用 5 歐姆漏極負(fù)載測量：

紅色曲線：（V （DS） * Ix （X1： 1） + V （N001） * Ix （X1： 2）：它是跟隨 SiC Mosfet 耗散功率的曲線圖；

紫色曲線：這是所用 SiC Mosfet 耗散功率等于 103 W 所施加的限制，此處顯示為參考點(diǎn)；

淺綠色曲線：這是電路電源電壓，從 0 V 增加到 770 V（在此特定圖表中）；

深綠色曲線：這是 Mosfet 漏極上的電壓，如您所見，增加不是線性的；

青色曲線：表示漏極電流。

根據(jù)此特定 SiC 制造商施加的所有最大限制，只能使用圖中以棕色突出顯示的區(qū)域。此可用區(qū)域顯然僅指使用的此類負(fù)載和此電源電壓。對于其他阻抗值，該區(qū)域?qū)⒂胁煌臄U(kuò)展。

圖 6：總圖有助于控制元件的電壓、電流和功耗，并提供有用的空間使其在正確的區(qū)域工作

結(jié)論

不幸的是，SPICE 語言尚未提供描述組件“絕對最大額定值”的參數(shù)。但是，使用特殊公式和計算在模擬中突出顯示它們非常簡單，從各個組件的官方數(shù)據(jù)表上的數(shù)據(jù)開始。運(yùn)行模擬，通過 SPICE“.TEMP”指令修改環(huán)境溫度也很有趣。

審核編輯：郭婷