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如何使用 LTspice 仿真 SiC MOSFET:良好驱动器的重要性
dianlaotie | 2022-11-10 09:57:23    阅读:477   发布文章

碳化硅 (SiC) 是一种日益重要的半导体材料,未来它肯定会取代硅用于大功率应用。为了更好地管理 SiC 器件,有必要创建一个足够的驱动程序,以保证其清晰的激活或停用。通常,要关闭它,“栅极”和“源极”之间需要大约 20 V 的电压,而要打开它,需要大约 -5 V 的负电压(地),并且开关驱动器必须非常快,否则会增加工作温度、开关损耗和更大的电阻 Rds(on)。一些器件,例如二极管和 SiC 功率 MOSFET,非常昂贵,如果您不能 100% 确定电路,则不方便进行试验。电路的模拟非常重要,因为它允许在所有条件下进行完整分析,同时在计算机后面保持安全。在本文中,我们将使用 LTspice 软件。

适合正确使用 SiC MOSFET 的优秀驱动器

本文的仿真重点是驱动器的性能。如果不能在高速下提供正确的电压,则 SiC 器件必然会发生故障,从而导致发热和效率低下。使用的 MOSFET 是UnitedSiC UF3C065080T3S模型,包含在 TO-220 封装中以及测试方案。它具有以下特点:

· Rds(开):0.080 欧姆;

· 最大电压 DS:650 V;

· GS 电压:-25 V 至 +25 V;

· 连续漏极电流:31 A;

· 脉冲漏极电流:65 A;

· 最大功耗:190 W;

· 最高工作温度:175°C;

· 出色的反向恢复;

· 低“门”电荷;

· 容量低;

· ESD保护;

· 非常低的开关损耗。

UF3C065080T3S 650V 80mΩ RDS(on) 级联 SiC FET 产品将其高性能 G3 SiC JFET 与 FET 优化的 MOSFET 共同封装,以生产当今市场上唯一的标准栅极驱动 SiC 器件。该系列具有超低的栅极电荷,而且在任何类似额定值的器件中也具有最佳的反向恢复特性。这些器件采用 TO-220-3L 封装,在与推荐的 RC 缓冲器以及需要标准栅极驱动的任何应用一起使用时,非常适合切换电感负载。

如何使用 LTspice 仿真 SiC MOSFET:良好驱动器的重要性

图 1:UnitedSiC 的 UF3C065080T3S SiC MOSFET 与测试示意图

“门”电压测试

该测试涉及器件的静态行为,根据型号规格,固定“漏极”电压为 24 V (V1),可变“栅极”电压 (V2) 介于 -25 V 和 +25 V 之间。负载为 1 欧姆。这种类型的模拟称为“直流扫描”,允许分析任何类型的电量,从而预测可变和增加的电源电压。结果非常有趣,清楚地表明,设备“栅极”的电源电压不正确会产生灾难性的后果。让我们观察图 2中产生的电路的仿真。要检查的信号如下:

· 电压 V(gate),在下图中以浅色显示;

· 负载电流 I(R1),在下面的暗图中;

· 上图中 Power on Mosfet 器件消耗的功率;

· 所有信号都在图表右侧“放大”。

当“栅极”电压低于约 5.8 V 时,MOSFET 被禁用并且不传导任何电流。另一方面,如果该电压大于 6.8 V,则器件将关闭并传导电流。因此,如果它处于遮断状态,它不会消散任何力量。它的饱和导致功耗增加(例如大约 40 W),这是一个完全正常的值。临界工作点出现在“栅极”电压介于 5.8 V 和 6.8 V 之间。在这种情况下,电路处于线性状态,从功率图中可以看出,MOSFET 的耗散非常高,达到140 W。必须避免此工作点,并在“栅极”电压曲线与负载电流曲线相交时出现 (P = V * I)。优秀的驱动器必须确保清晰的关断电压 (<5 V) 和饱和 (> 15 V)。

如何使用 LTspice 仿真 SiC MOSFET:良好驱动器的重要性

图 2:此模拟涉及在 -25V 和 + 25V 之间增加的“栅极”电压。MOSFET 的行为发生显着变化

在器件导通的情况下,从负载流过“漏极”的电流非常高,约为 22 A,可通过以下公式计算:


如何使用 LTspice 仿真 SiC MOSFET:良好驱动器的重要性

Rds(ON) 的值也很容易计算,使用以下公式:


如何使用 LTspice 仿真 SiC MOSFET:良好驱动器的重要性

根据所使用的 SiC MOSFET 的规格,从中获得约 85.8 毫欧的值。

结论

在本文中,我们对静态行为进行了重要的基本模拟,展示了优秀驱动器的存在对于驱动和管理 SiC 器件的重要性。驱动程序必须具有以下功能:

· 必须在ON和OFF状态下提供清晰准确的电压,绝对避免在线性区运行;

· 它必须以极快的速度驱动,比 SiC MOSFET 提供的可能性要快得多。

如果您能够正确驱动 SiC 器件,您可以获得这些最新一代组件可以提供的速度、功率和效率的所有重要优势。


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