设计汽车转换器时，尺寸、成本和可靠性是关键因素。为了满足这些标准，最简单的双向拓扑；选择同步降压/反向升压转换器。最大限度地提高能源效率也至关重要，在...
线性状态下的 SiC MOSFET
接线图
2024年02月06日 17:43 173
admin
然而，了解其在线性状态下的行为是有用的，当驱动器发生故障或设计者出于特定目的对其进行编程时，可能会发生这种情况。
电子元件的线性区（或有源区）是所有可用电流都无法流通的区域，它充当电流调节器。
不言而喻，功耗极高，而效率却极低。
然而，在某些情况下，电子元件工作在线性区域，导致以下情况：
栅极电压V g不在制造商设定的正负极限，而是位于中心区域附近；
漏源电压V ds并不接近于零，而是处于更高的电压；
漏极电流 I d具有重要的特征值；
元件消耗的功率非常高；
元件温度也很高；
电路效率低。
线性区域对于为采用 SiC MOSFET 的无线电发射器创建 A 类模拟音频放大器非常有用，但当组件驱动器发生故障时也可能会出现这种情况。因此，MOSFET 之前的电路应由设计人员控制。
MOSFET 的电气图和线性工作
我们的示例中使用了型号为 C3M0160120D 的 SiC MOSFET，其具有下列属性。图 1描绘了接线图。
电压ds : 1,200 V
内径：17A ， 25 ℃
RDS （开启）：160 m Ω
静态状态下的栅极电压：-4 V 至 15 V
最大功耗：97 W
在下面的直流仿真中，栅极上的电压跨越制造商指示的整个范围（从 -4 V 到 15 V），当然不会超出这些限制。
该电路使用低电流为负载供电，不会对半导体造成任何压力。
测试的目的是查看组件的各种参数，特别是当它们在关闭或打开区域无法工作时。
仿真还跟踪结点和散热器的温度。 SiC MOSFET 线性区运行接线图
该接线图由 200V (V1) 电源、非常强大的 100Ω 电阻负载 (R1)、C3M0160120D SiC MOSFET (U1) 和可变电压发生器（-4V 至 15V）组成，用于使用驱动器功能 (V2) 驱动 MOSFET 栅极。图中还包括散热器。
直流扫描模拟
该系统的电气仿真不包括瞬态模式，而是直流扫描模式，其中所有栅极电源电压都将在 -4 V 至 15 V 的范围内进行检查，步长为 10 mV。
您可以通过这种方式了解 MOSFET 对不同栅极电压的反应。以下是运行此类仿真的 SPICE 指令：
.dc v2 -4 15 0.01
该系统的电气仿真没有瞬态模式，而是直流扫描模式，其中所有栅极电源电压都将在 -4 V 至 15 V 的范围内进行研究，步长为 10 mV。
负载电流图
我们要查看的第一张图是图 2 中的图，它显示了流过负载的电流与栅极电压的函数关系。X 轴表示栅极上的电压，Y 轴表示负载上的电流。
正如您所看到的，该图可以分为三个不同的区域：
该组件位于左侧的阻断区域（蓝色），因为栅极电压（从 -4 V 到 3 V）不足以导通该器件。在这种情况下，MOSFET 不传导电流，DS 结实际上是开路（约 400 M Ω）。
由于栅极电压（从 7V 到 15V）足以使器件做出决定，因此器件处于正确区域（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 m Ω）。
元件位于线性区域的中心区域（红色）是栅极电压（从 3V 到 7V）允许器件传导部分电流的地方。在这种情况下，MOSFET 会发热很多，并且充当低效电流调节器。DS 结的欧姆电阻介于 6 k Ω和 2 Ω 之间。 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，流过器件的电流代表典型操作，因为 DS 通道的欧姆电阻随着栅极电压的升高而降低。X 轴表示栅极电压，Y 轴表示 MOSFET 消耗的功率。
另一方面，如图 3 中的图表所示，功耗的轨迹极其引人注目。在这种情况下还可以看到三个独立的部分：
左侧区域的栅极电压在 -4V 到 2V 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6V至15V之间。此时MOSFET处于完全饱和状态，通过负载的电流最大，耗散功率平均为1.5W。这种耗散是由于 R DS(on)的值造成的，尽管该值非常低，但在现代技术状态下尚未等于零。
由于栅极电压在 2V 至 6V 之间，MOSFET 处于中心区域的线性区。在这种情况下，MOSFET 处于工作区，耗散功率非常高，峰值约为 100 W，并导致大量热量积聚。尽管理论上避免将半导体的工作区域置于此范围内至关重要，但在某些情况下设计者会故意选择这样做。
MOSFET 功耗与栅极电压
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。当后者在2V到5.5V之间时，大约MOSFET工作在线性区，因此系统的效率不是最佳的。
系统效率与栅极电压的关系
图 4：系统效率与栅极电压的关系图
MOSFET的工作温度
设备和散热器之间的连接处的温度控制也是一项非常重要的特权，它允许设计人员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“T c ”和“T j ”端子，就可以监控两个温度。在本示例中，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。最终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 mm3 .
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，但它们是以摄氏度表示的成熟温度。请记住，该域是栅极电压的域，而不是时间的域。
该图显示了两种不同的情况：
在 MOSFET 的截止区和饱和区，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，温度至关重要，结点温度达到 230°C，散热器温度达到 103°C。在这些条件下，MOSFET 显然会被损坏。 结温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 类音频放大器是一项有趣的实验（参见 图 6中的原理图）。如今，使用 A 类放大器已极为罕见。然而，当您需要以很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，设备工作在全线性区域，保证了高效的性能。主要缺点是 A 类放大器会产生大量热量来消散，因为即使没有音频信号，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。
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应该能够承受至少130W，而MOSFET则消耗60W。显然，提供的声音功率要低得多，效率很低。 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 FFT 处理
电子元件的线性区（或有源区）是所有可用电流都无法流通的区域，它充当电流调节器。
不言而喻，功耗极高，而效率却极低。
然而，在某些情况下，电子元件工作在线性区域，导致以下情况：
栅极电压V g不在制造商设定的正负极限，而是位于中心区域附近；
漏源电压V ds并不接近于零，而是处于更高的电压；
漏极电流 I d具有重要的特征值；
元件消耗的功率非常高；
元件温度也很高；
电路效率低。
线性区域对于为采用 SiC MOSFET 的无线电发射器创建 A 类模拟音频放大器非常有用，但当组件驱动器发生故障时也可能会出现这种情况。因此，MOSFET 之前的电路应由设计人员控制。
MOSFET 的电气图和线性工作
我们的示例中使用了型号为 C3M0160120D 的 SiC MOSFET，其具有下列属性。图 1描绘了接线图。
电压ds : 1,200 V
内径：17A ， 25 ℃
RDS （开启）：160 m Ω
静态状态下的栅极电压：-4 V 至 15 V
最大功耗：97 W
在下面的直流仿真中，栅极上的电压跨越制造商指示的整个范围（从 -4 V 到 15 V），当然不会超出这些限制。
该电路使用低电流为负载供电，不会对半导体造成任何压力。
测试的目的是查看组件的各种参数，特别是当它们在关闭或打开区域无法工作时。
仿真还跟踪结点和散热器的温度。 SiC MOSFET 线性区运行接线图
该接线图由 200V (V1) 电源、非常强大的 100Ω 电阻负载 (R1)、C3M0160120D SiC MOSFET (U1) 和可变电压发生器（-4V 至 15V）组成，用于使用驱动器功能 (V2) 驱动 MOSFET 栅极。图中还包括散热器。
直流扫描模拟
该系统的电气仿真不包括瞬态模式，而是直流扫描模式，其中所有栅极电源电压都将在 -4 V 至 15 V 的范围内进行检查，步长为 10 mV。
您可以通过这种方式了解 MOSFET 对不同栅极电压的反应。以下是运行此类仿真的 SPICE 指令：
.dc v2 -4 15 0.01
该系统的电气仿真没有瞬态模式，而是直流扫描模式，其中所有栅极电源电压都将在 -4 V 至 15 V 的范围内进行研究，步长为 10 mV。
负载电流图
我们要查看的第一张图是图 2 中的图，它显示了流过负载的电流与栅极电压的函数关系。X 轴表示栅极上的电压，Y 轴表示负载上的电流。
正如您所看到的，该图可以分为三个不同的区域：
该组件位于左侧的阻断区域（蓝色），因为栅极电压（从 -4 V 到 3 V）不足以导通该器件。在这种情况下，MOSFET 不传导电流，DS 结实际上是开路（约 400 M Ω）。
由于栅极电压（从 7V 到 15V）足以使器件做出决定，因此器件处于正确区域（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 m Ω）。
元件位于线性区域的中心区域（红色）是栅极电压（从 3V 到 7V）允许器件传导部分电流的地方。在这种情况下，MOSFET 会发热很多，并且充当低效电流调节器。DS 结的欧姆电阻介于 6 k Ω和 2 Ω 之间。 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，流过器件的电流代表典型操作，因为 DS 通道的欧姆电阻随着栅极电压的升高而降低。X 轴表示栅极电压，Y 轴表示 MOSFET 消耗的功率。
另一方面，如图 3 中的图表所示，功耗的轨迹极其引人注目。在这种情况下还可以看到三个独立的部分：
左侧区域的栅极电压在 -4V 到 2V 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6V至15V之间。此时MOSFET处于完全饱和状态，通过负载的电流最大，耗散功率平均为1.5W。这种耗散是由于 R DS(on)的值造成的，尽管该值非常低，但在现代技术状态下尚未等于零。
由于栅极电压在 2V 至 6V 之间，MOSFET 处于中心区域的线性区。在这种情况下，MOSFET 处于工作区，耗散功率非常高，峰值约为 100 W，并导致大量热量积聚。尽管理论上避免将半导体的工作区域置于此范围内至关重要，但在某些情况下设计者会故意选择这样做。
MOSFET 功耗与栅极电压
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。当后者在2V到5.5V之间时，大约MOSFET工作在线性区，因此系统的效率不是最佳的。
系统效率与栅极电压的关系
图 4：系统效率与栅极电压的关系图
MOSFET的工作温度
设备和散热器之间的连接处的温度控制也是一项非常重要的特权，它允许设计人员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“T c ”和“T j ”端子，就可以监控两个温度。在本示例中，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。最终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 mm3 .
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，但它们是以摄氏度表示的成熟温度。请记住，该域是栅极电压的域，而不是时间的域。
该图显示了两种不同的情况：
在 MOSFET 的截止区和饱和区，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，温度至关重要，结点温度达到 230°C，散热器温度达到 103°C。在这些条件下，MOSFET 显然会被损坏。 结温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 类音频放大器是一项有趣的实验（参见 图 6中的原理图）。如今，使用 A 类放大器已极为罕见。然而，当您需要以很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，设备工作在全线性区域，保证了高效的性能。主要缺点是 A 类放大器会产生大量热量来消散，因为即使没有音频信号，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。
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应该能够承受至少130W，而MOSFET则消耗60W。显然，提供的声音功率要低得多，效率很低。 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 FFT 处理
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