SIC MOSFET在开关状态下工作

，然而
，了解其在某些情况下(如驱动器故障或设计师编程的特定目的)线性工作区的行为也是很有用的，今天利发国际就来聊聊电源设计之线性工作区中的SiC MOSFET

。

　　线性区

　　电子元件的线性区(或活跃区)是指其无法传递所有可用电流的区域
，在该区域内其行为类似于一个电流调节器。显而易见
，这样的情况下功率损耗很高
，而效率则极低。然而，有些情况下电子元件工作在线性区，并且会发生以下情况：

　　栅极电压Vg不在制造商设定的正负极限

，而是接近中心区域

。

　　漏源电压Vds不接近零，而是处于更高的电压。

　　漏电流Id呈现显著值。

　　组件的功率损耗很高。

　　组件温度也很高。

　　电路效率低
。

　　线性区对于使用SiC MOSFET创建用于无线电发射机的A类模拟音频放大器很有用

，但在组件驱动器发生故障时也可能出现。因此，设计师应对MOSFET前面的电路进行控制。

图1
：碳化物MOSFET线性区操作的接线图

　　MOSFET的电气原理图和线性操作

　　在利发国际的例子中，使用了具有以下特性的SiC MOSFET型号C3M0160120D
。电路图如图1所示
。

　　Vds：1200V

　　Id：17A，25˚C

　　RDS(on)：160mΩ

　　静态状态下的栅极电压：-4V至15V

　　最大功率损耗
：97W

　　在以下直流模拟中，栅极上的电压跨越了制造商指示的整个范围(从-4V到15V)
，当然不会超过这些限制。电路向负载提供低电流，不会给半导体带来压力。测试的目的是观察组件在非开关状态或导通状态下的不同参数
。模拟还监控了结温和散热器温度。

　　电气原理图包括一个200V的电源(V1)，一个非常稳健的100Ω电阻负载(R1)，C3M0160120D SiC MOSFET(U1)，以及一个用于驱动MOSFET栅极的可变电压发生器(从-4V到15V)(V2)

。图中还包括一个散热器。

　　直流扫描模拟

　　系统的电气模拟不预见瞬态状态，而是直流扫描模式
，其中将检查栅极所有供电电压，范围从-4V到15V，步长为10mV
。通过这种方式
，可以看到MOSFET对各种栅极电压的反应

。执行这种模拟类型的SPICE指令如下：

　　dc v2 -4 15 0.01

　　系统的电气模拟没有瞬态模式
，而是直流扫描模式，将在-4V到15V的范围内调查所有栅极供电电压，步长为10mV
。

　　负载电流图

　　利发国际要检查的第一个图是关于负载上的电流与栅极电压的关系，如图2所示
。X轴表示栅极电压
，Y轴表示负载电流。正如你所见，图表可以分为三个不同的区域
：

　　左侧区域(蓝色)：栅极电压(-4V到3V)不足以使器件导通，MOSFET不导电，DS结实际上是开路(约400MΩ)
。

　　右侧区域(绿色)
：栅极电压(7V到15V)足以使器件导通，器件处于饱和区，MOSFET导通最大电流，DS结实际上是闭合电路(约160mΩ)。

　　中间区域(红色)：栅极电压(3V到7V)使器件导通部分电流，MOSFET在这种情况下会发热，成为低效率的电流调节器，DS结的欧姆电阻在6kΩ到2Ω之间
。

图2:负载电流图与.闸门电压

　　器件的功率损耗

　　在前面的例子中，流经器件的电流代表典型操作，因为随着栅极电压的升高
，DS通道的欧姆电阻降低
。X轴表示栅极电压
，Y轴表示MOSFET的功率损耗。另一方面，正如图3所示，功耗轨迹非常显著
。在这种情况下，也可以看到三个不同的区域
：

　　左侧区域：栅极电压在-4V到2V之间
。此时，MOSFET处于禁用状态，没有电流流经负载
，功耗几乎为零。

　　右侧区域：栅极电压在6V到15V之间
。此时

，MOSFET完全饱和状态，最大电流流经负载，功耗平均为1.5W
。此功耗是由于RDS(on)的值，虽然它非常低，但在现代技术状态下仍然不等于零

。

　　中间区域：栅极电压在2V到6V之间
。此时MOSFET处于线性区，功耗极高，峰值约为100W
，导致大量热量积聚

。尽管理论上必须避免将半导体的工作区域置于此范围内
，但在某些情况下

，设计师会故意这样做

。

图3:MOSFET相对的耗散功率图。闸门电压

系统效率

　　系统的效率与MOSFET的功耗成反比。记住，计算通用电路效率的公式如下：

　　图4显示了电路效率与栅极电压的关系趋势。当栅极电压在2V到5.5V之间时
，MOSFET工作在线性区
，因此系统效率不佳。当器件处于饱和区时
，效率几乎达到100%。X轴表示栅极电压

，Y轴表示电路效率，以百分比表示。

图4:系统效率与效率之比较图闸门电压

　　MOSFET的工作温度

　　控制器件与散热器之间结的温度也是一个非常重要的前提，允许设计师正确设计相关电流和冷却系统的尺寸
。借助LTspice库中的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。在此示例中，散热器材料为铝，其热阻(Rθ)等于0.2˚C/W
。模拟的环境温度为25˚C
。最后，电子元件与散热器之间的接触面积为300mm²
，而后者的体积为5000mm³


。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
，但它们完全是以摄氏度表示的温度。请记住，域是栅极电压而不是时间。图表显示了两种不同的情况：

　　在MOSFET的禁用和饱和区间
，结温和散热器温度几乎等于环境温度
，相当于25˚C，而栅极电压在-4V到2V之间
，然后在9V到15V之间。

　　在线性区间
，温度很高
，峰值时结温达到230˚C
，散热器温度达到103˚C。在这些条件下，显然MOSFET会被破坏。

图5:连接和散热器温度相对于.闸门电压

　　音频放大器

　　使用SiC MOSFET在线性工作区制作A类音频放大器是一个有趣的实验(参见原理图图6)
。今天，使用A类放大器非常罕见。然而，当需要放大失真非常小的信号时
，A类放大器非常有用
。在音频方面，在这种情况下
，器件在其全线性区内工作
，确保高效性能。主要缺点是A类放大器产生大量热量，因为即使音频信号不存在，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类放大器不扭曲音频信号,但产生大量热量

　　在电气原理图中，负载电阻R1应至少能承受130W，而MOSFET耗散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(后者与第一个相位相反，频率为300Hz)，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

　　在今天的高效研究方法中，在线性工作区使用半导体已不再有意义，采用PWM和开关解决方案显然能提供更高的性能保证
。利发国际科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商
。