如何使用 LTspice 仿真 SiC MOSFET：良好驅(qū)動(dòng)器的重要性

碳化硅 (SiC) 是一種日益重要的半導(dǎo)體材料，未來(lái)它肯定會(huì)取代硅用于大功率應(yīng)用。為了更好地管理 SiC 器件，有必要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)足夠的驅(qū)動(dòng)程序，以保證其清晰的激活或停用。通常，要關(guān)閉它，“柵極”和“源極”之間需要大約 20 V 的電壓，而要打開(kāi)它，需要大約 -5 V 的負(fù)電壓(地)，并且開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器必須非常快，否則會(huì)增加工作溫度、開(kāi)關(guān)損耗和更大的電阻 Rds(on)。一些器件，例如二極管和 SiC 功率 MOSFET，非常昂貴，如果您不能 100% 確定電路，則不方便進(jìn)行試驗(yàn)。電路的模擬非常重要，因?yàn)樗试S在所有條件下進(jìn)行完整分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)后面保持安全。在本文中，我們將使用 LTspice 軟件。

適合正確使用 SiC MOSFET 的優(yōu)秀驅(qū)動(dòng)器

本文的仿真重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)器的性能。如果不能在高速下提供正確的電壓，則 SiC 器件必然會(huì)發(fā)生故障，從而導(dǎo)致發(fā)熱和效率低下。使用的 MOSFET 是UnitedSiC UF3C065080T3S模型，包含在 TO-220 封裝中以及測(cè)試方案。它具有以下特點(diǎn)：

· Rds(開(kāi))：0.080 歐姆;

· 最大電壓 DS：650 V;

· GS 電壓：-25 V 至 +25 V;

· 連續(xù)漏極電流：31 A;

· 脈沖漏極電流：65 A;

· 最大功耗：190 W;

· 最高工作溫度：175°C;

· 出色的反向恢復(fù);

· 低“門”電荷;

· 容量低;

· ESD保護(hù);

· 非常低的開(kāi)關(guān)損耗。

UF3C065080T3S 650V 80mΩ RDS(on) 級(jí)聯(lián) SiC FET 產(chǎn)品將其高性能 G3 SiC JFET 與 FET 優(yōu)化的 MOSFET 共同封裝，以生產(chǎn)當(dāng)今市場(chǎng)上唯一的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng) SiC 器件。該系列具有超低的柵極電荷，而且在任何類似額定值的器件中也具有最佳的反向恢復(fù)特性。這些器件采用 TO-220-3L 封裝，在與推薦的 RC 緩沖器以及需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的任何應(yīng)用一起使用時(shí)，非常適合切換電感負(fù)載。

圖 1：UnitedSiC 的 UF3C065080T3S SiC MOSFET 與測(cè)試示意圖

“門”電壓測(cè)試

該測(cè)試涉及器件的靜態(tài)行為，根據(jù)型號(hào)規(guī)格，固定“漏極”電壓為 24 V (V1)，可變“柵極”電壓 (V2) 介于 -25 V 和 +25 V 之間。負(fù)載為 1 歐姆。這種類型的模擬稱為“直流掃描”，允許分析任何類型的電量，從而預(yù)測(cè)可變和增加的電源電壓。結(jié)果非常有趣，清楚地表明，設(shè)備“柵極”的電源電壓不正確會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。讓我們觀察圖 2中產(chǎn)生的電路的仿真。要檢查的信號(hào)如下：

· 電壓 V(gate)，在下圖中以淺色顯示;

· 負(fù)載電流 I(R1)，在下面的暗圖中;

· 上圖中 Power on Mosfet 器件消耗的功率;

· 所有信號(hào)都在圖表右側(cè)“放大”。

當(dāng)“柵極”電壓低于約 5.8 V 時(shí)，MOSFET 被禁用并且不傳導(dǎo)任何電流。另一方面，如果該電壓大于 6.8 V，則器件將關(guān)閉并傳導(dǎo)電流。因此，如果它處于遮斷狀態(tài)，它不會(huì)消散任何力量。它的飽和導(dǎo)致功耗增加(例如大約 40 W)，這是一個(gè)完全正常的值。臨界工作點(diǎn)出現(xiàn)在“柵極”電壓介于 5.8 V 和 6.8 V 之間。在這種情況下，電路處于線性狀態(tài)，從功率圖中可以看出，MOSFET 的耗散非常高，達(dá)到140 W。必須避免此工作點(diǎn)，并在“柵極”電壓曲線與負(fù)載電流曲線相交時(shí)出現(xiàn) (P = V * I)。優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)器必須確保清晰的關(guān)斷電壓 (<5 V) 和飽和 (> 15 V)。

圖 2：此模擬涉及在 -25V 和 + 25V 之間增加的“柵極”電壓。MOSFET 的行為發(fā)生顯著變化

在器件導(dǎo)通的情況下，從負(fù)載流過(guò)“漏極”的電流非常高，約為 22 A，可通過(guò)以下公式計(jì)算：

Rds(ON) 的值也很容易計(jì)算，使用以下公式：

根據(jù)所使用的 SiC MOSFET 的規(guī)格，從中獲得約 85.8 毫歐的值。

結(jié)論

在本文中，我們對(duì)靜態(tài)行為進(jìn)行了重要的基本模擬，展示了優(yōu)秀驅(qū)動(dòng)器的存在對(duì)于驅(qū)動(dòng)和管理 SiC 器件的重要性。驅(qū)動(dòng)程序必須具有以下功能：

· 必須在ON和OFF狀態(tài)下提供清晰準(zhǔn)確的電壓，絕對(duì)避免在線性區(qū)運(yùn)行;

· 它必須以極快的速度驅(qū)動(dòng)，比 SiC MOSFET 提供的可能性要快得多。

如果您能夠正確驅(qū)動(dòng) SiC 器件，您可以獲得這些最新一代組件可以提供的速度、功率和效率的所有重要優(yōu)勢(shì)。