SIC MOSFET在開關(guān)狀態(tài)下工作，然而，了解其在某些情況下(如驅(qū)動器故障或設(shè)計師編程的特定目的)線性工作區(qū)的行為也是很有用的，今天我們就來聊聊電源設(shè)計之線性工作區(qū)中的SiC MOSFET。

　　線性區(qū)

　　電子元件的線性區(qū)(或活躍區(qū))是指其無法傳遞所有可用電流的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)其行為類似于一個電流調(diào)節(jié)器。顯而易見，這樣的情況下功率損耗很高，而效率則極低。然而，有些情況下電子元件工作在線性區(qū)，并且會發(fā)生以下情況：

　　柵極電壓Vg不在制造商設(shè)定的正負(fù)極限，而是接近中心區(qū)域。

　　漏源電壓Vds不接近零，而是處于更高的電壓。

　　漏電流Id呈現(xiàn)顯著值。

　　組件的功率損耗很高。

　　組件溫度也很高。

　　電路效率低。

　　線性區(qū)對于使用SiC MOSFET創(chuàng)建用于無線電發(fā)射機(jī)的A類模擬音頻放大器很有用，但在組件驅(qū)動器發(fā)生故障時也可能出現(xiàn)。因此，設(shè)計師應(yīng)對MOSFET前面的電路進(jìn)行控制。

圖1：碳化物MOSFET線性區(qū)操作的接線圖

　　MOSFET的電氣原理圖和線性操作

　　在我們的例子中，使用了具有以下特性的SiC MOSFET型號C3M0160120D。電路圖如圖1所示。

　　Vds：1200V

　　Id：17A，25?C

　　RDS(on)：160mΩ

　　靜態(tài)狀態(tài)下的柵極電壓：-4V至15V

　　最大功率損耗：97W

　　在以下直流模擬中，柵極上的電壓跨越了制造商指示的整個范圍(從-4V到15V)，當(dāng)然不會超過這些限制。電路向負(fù)載提供低電流，不會給半導(dǎo)體帶來壓力。測試的目的是觀察組件在非開關(guān)狀態(tài)或?qū)顟B(tài)下的不同參數(shù)。模擬還監(jiān)控了結(jié)溫和散熱器溫度。

　　電氣原理圖包括一個200V的電源(V1)，一個非常穩(wěn)健的100Ω電阻負(fù)載(R1)，C3M0160120D SiC MOSFET(U1)，以及一個用于驅(qū)動MOSFET柵極的可變電壓發(fā)生器(從-4V到15V)(V2)。圖中還包括一個散熱器。

　　直流掃描模擬

　　系統(tǒng)的電氣模擬不預(yù)見瞬態(tài)狀態(tài)，而是直流掃描模式，其中將檢查柵極所有供電電壓，范圍從-4V到15V，步長為10mV。通過這種方式，可以看到MOSFET對各種柵極電壓的反應(yīng)。執(zhí)行這種模擬類型的SPICE指令如下：

　　dc v2 -4 15 0.01

　　系統(tǒng)的電氣模擬沒有瞬態(tài)模式，而是直流掃描模式，將在-4V到15V的范圍內(nèi)調(diào)查所有柵極供電電壓，步長為10mV。

　　負(fù)載電流圖

　　我們要檢查的第一個圖是關(guān)于負(fù)載上的電流與柵極電壓的關(guān)系，如圖2所示。X軸表示柵極電壓，Y軸表示負(fù)載電流。正如你所見，圖表可以分為三個不同的區(qū)域：

　　左側(cè)區(qū)域(藍(lán)色)：柵極電壓(-4V到3V)不足以使器件導(dǎo)通，MOSFET不導(dǎo)電，DS結(jié)實際上是開路(約400MΩ)。

　　右側(cè)區(qū)域(綠色)：柵極電壓(7V到15V)足以使器件導(dǎo)通，器件處于飽和區(qū)，MOSFET導(dǎo)通最大電流，DS結(jié)實際上是閉合電路(約160mΩ)。

　　中間區(qū)域(紅色)：柵極電壓(3V到7V)使器件導(dǎo)通部分電流，MOSFET在這種情況下會發(fā)熱，成為低效率的電流調(diào)節(jié)器，DS結(jié)的歐姆電阻在6kΩ到2Ω之間。

圖2:負(fù)載電流圖與.閘門電壓

　　器件的功率損耗

　　在前面的例子中，流經(jīng)器件的電流代表典型操作，因為隨著柵極電壓的升高，DS通道的歐姆電阻降低。X軸表示柵極電壓，Y軸表示MOSFET的功率損耗。另一方面，正如圖3所示，功耗軌跡非常顯著。在這種情況下，也可以看到三個不同的區(qū)域：

　　左側(cè)區(qū)域：柵極電壓在-4V到2V之間。此時，MOSFET處于禁用狀態(tài)，沒有電流流經(jīng)負(fù)載，功耗幾乎為零。

　　右側(cè)區(qū)域：柵極電壓在6V到15V之間。此時，MOSFET完全飽和狀態(tài)，最大電流流經(jīng)負(fù)載，功耗平均為1.5W。此功耗是由于RDS(on)的值，雖然它非常低，但在現(xiàn)代技術(shù)狀態(tài)下仍然不等于零。

　　中間區(qū)域：柵極電壓在2V到6V之間。此時MOSFET處于線性區(qū)，功耗極高，峰值約為100W，導(dǎo)致大量熱量積聚。盡管理論上必須避免將半導(dǎo)體的工作區(qū)域置于此范圍內(nèi)，但在某些情況下，設(shè)計師會故意這樣做。

圖3:MOSFET相對的耗散功率圖。閘門電壓

系統(tǒng)效率

　　系統(tǒng)的效率與MOSFET的功耗成反比。記住，計算通用電路效率的公式如下：

　　圖4顯示了電路效率與柵極電壓的關(guān)系趨勢。當(dāng)柵極電壓在2V到5.5V之間時，MOSFET工作在線性區(qū)，因此系統(tǒng)效率不佳。當(dāng)器件處于飽和區(qū)時，效率幾乎達(dá)到100%。X軸表示柵極電壓，Y軸表示電路效率，以百分比表示。

圖4:系統(tǒng)效率與效率之比較圖閘門電壓

　　MOSFET的工作溫度

　　控制器件與散熱器之間結(jié)的溫度也是一個非常重要的前提，允許設(shè)計師正確設(shè)計相關(guān)電流和冷卻系統(tǒng)的尺寸。借助LTspice庫中的SOAtherm-HeatSink模型，只要SPICE半導(dǎo)體組件配備“Tc”和“Tj”端子，就可以監(jiān)控這兩個溫度。在此示例中，散熱器材料為鋁，其熱阻(Rθ)等于0.2?C/W。模擬的環(huán)境溫度為25?C。最后，電子元件與散熱器之間的接觸面積為300mm2，而后者的體積為5000mm3。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。盡管圖表將它們報告為以伏特表示的電壓，但它們完全是以攝氏度表示的溫度。請記住，域是柵極電壓而不是時間。圖表顯示了兩種不同的情況：

　　在MOSFET的禁用和飽和區(qū)間，結(jié)溫和散熱器溫度幾乎等于環(huán)境溫度，相當(dāng)于25?C，而柵極電壓在-4V到2V之間，然后在9V到15V之間。

　　在線性區(qū)間，溫度很高，峰值時結(jié)溫達(dá)到230?C，散熱器溫度達(dá)到103?C。在這些條件下，顯然MOSFET會被破壞。

圖5:連接和散熱器溫度相對于.閘門電壓

　　音頻放大器

　　使用SiC MOSFET在線性工作區(qū)制作A類音頻放大器是一個有趣的實驗(參見原理圖圖6)。今天，使用A類放大器非常罕見。然而，當(dāng)需要放大失真非常小的信號時，A類放大器非常有用。在音頻方面，在這種情況下，器件在其全線性區(qū)內(nèi)工作，確保高效性能。主要缺點是A類放大器產(chǎn)生大量熱量，因為即使音頻信號不存在，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類放大器不扭曲音頻信號,但產(chǎn)生大量熱量

　　在電氣原理圖中，負(fù)載電阻R1應(yīng)至少能承受130W，而MOSFET耗散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(后者與第一個相位相反，頻率為300Hz)，最重要的是，諧波失真小于6%。

圖7:A類放大信號和相關(guān)的FFT處理

　　在今天的高效研究方法中，在線性工作區(qū)使用半導(dǎo)體已不再有意義，采用PWM和開關(guān)解決方案顯然能提供更高的性能保證。浮思特科技專注功率器件領(lǐng)域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。