电源设计说明：线性方案中的 SiC MOSFET

SiC MOSFET 在开关状态下工作。然而，了解其在线性状态下的行为是有用的，这可能发生在驱动器发生故障的情况下，或者出于某些目的，当设计者编程时会发生这种情况。

线性区

电子元件的线性区(或有源区)是无法循环所有可用电流的区域，其行为就像电流调节器一样。不言而喻，功耗非常高，而效率则相反，极低。但是，也有电子元件工作在直线区域的情况，会出现以下情况：

· 栅极电压V g不在制造商设定的正负限制，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。

线性区域可用于为使用 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，使用了具有以下属性的 SiC MOSFET 型号 C3M0160120D。接线图如图1所示。

· V ds : 1,200 V

· I d : 17 A, 25˚C

· R DS(on) : 160 mΩ

· 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。该电路为负载提供低电流，不会使半导体应变。测试的目的是观察组件的不同参数，特别是当它们在关闭区域或开启区域不起作用时。该仿真还监控结温和散热器温度。

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。

直流扫描模拟

系统的电气仿真没有预见瞬态状态，而是采用 DC 扫描模式，其中将在 –4 V 和 15 V 之间的范围内以 10 mV 的步长检查栅极的所有电源电压。通过这种方式，您将看到 MOSFET 对各种栅极电压的反应。用于执行此类仿真的 SPICE 指令如下：

.dc v2 -4 15 0.01

该系统的电气仿真没有瞬态模式，而是采用直流扫描模式，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

我们要检查的第一张图是与流过负载的电流有关的图，具体取决于栅极电压，如图 2 所示。X 轴代表栅极上的电压，Y 轴代表负载上的电流。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 MΩ)。

· 由于栅极电压(从 7 V 到 15 V)足以使器件在决定时导通，因此器件位于右侧区域(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 mΩ)。

· 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 kΩ 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介于 –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。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该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项非常重要的特权，它使设计人员能够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“Tc”和“Tj”端子，就可以监控这两个温度。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 mm 3。最后，在图中图 5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。

· 在线性区域，温度非常关键，在最高峰值处，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 和负载电阻器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

以当今的高效研究方法，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。