電源設計筆記:適用于高性能應用的SiC JFET

本文檢查了 JFET SJEP120R100A 的功能和性能——這篇文章純粹是指導性的;此組件不再可用。但是這種簡單的方法也可以應用于其他新組件。在接下來的文章中，將使用其他組件——這種碳化硅 (SiC) JFET 可以成功地用于任何需要高功率和快速開關速度的應用。然而，它特別適合在音頻行業中使用，它可以在高質量放大器中找到。

概述

SJEP120R100A 是一種常關型 SiC 功率JFET(參見圖 1)。它與所有標準集成電路兼容，即使在高達 150?C 的溫度下，它的切換速度也非?？?，而且沒有尾電流。它可以使用簡單的方法與其他設備并聯。讓我們看一下它的一些基本特征，然后通過一些模擬來驗證它們：

R DS(on) : 0.08 Ω (最大 0.1 Ω)

漏源阻斷電壓 (BV DSS )：1,200 V

連續漏極電流 (T J = 100?C)：17 A

連續漏極電流 (T J = 150?C)：11 A

脈沖漏極電流 (T C = 25?C)：30 A

短路耐受時間：50 μs

功耗(T C = 25?C)：114 W

柵源電壓 (V GS )：–10 V 至 15 V

工作和儲存溫度：–55?C 至 150?C

圖 1：JFET SJEP120R100A 及其引腳排列

要運行仿真，您必須首先在 Internet 上搜索組件的 SPICE 模型，然后可以直接在您選擇的仿真器中使用該模型?；蛘?，可以直接在設備上使用萬用表和示波器進行測量。

.subckt SJEP120R100 DGS

.param R=530m ; R_gate

Rg G Gi {R} tc=-3m

Rd D Di 70m tc=8m 10u

Csd S Di 3p

Cgd G Di 43p

吉帝吉S SJEP120R100

.model SJEP120R100 njf

+ Vto=1 貝塔=10.5 B=1

+ Lambda=2m Vk=2k 阿爾法=20u

+ 是=1f N=3.4

+ Isr=1n Nr=6.8

+ Cgd=1n Cgs=755p Pb=2.6 M=0.8

+ Kf=100f Af=1

+ VtoTC=-2m BetaTCe=-0.6 Xti=86

. 結束 SJEP120R100

該模型包含組件的主要電氣和電子特性，例如：

導通電阻

這可能是開發系統時要考慮的最重要的參數之一。在飽和狀態下，它是組件為漏極和源極之間的電流流動提供的電阻。因此，R DS(on)是計算開關電源應用中傳導損耗的重要指標。開關器件在關斷時，其漏源電壓異常高，但在導通時，電壓下降到幾百毫伏。因此，當這個數字盡可能低時，可以實現最佳效率，因為相對散熱量下降。理想組件具有 R DS(on)等于 0，但目前，即使新技術大幅降低該值，也始終需要最小電阻。不過，應該注意的是，即使是最好的銅線或銀線也不具有零電阻。為了獲得通用結果，在計算 R DS(on)之前，必須在靜態狀態下測量漏極電流和漏源電壓。圖 2 顯示了用于進行一些測量的器件飽和度的通用接線圖。它由以下元素組成：

V1：200V主電源電壓

V2：“柵極”驅動電壓 15 V

J1：JFET SJEP120R100A

R1：25Ω 阻性負載

所有這些數字都是使用組件官方數據表中的“絕對最大額定值”數字計算得出的。當電路導通時，大電流從漏極流向源極，產生以下結果：

7.97 A 的漏極電流

807.7 mV 的漏源電壓

器件功耗僅為 6.47 W

1,587-W 負載耗散(這是完全正常的)

在這種情況下，靜態效率為 99.6%，這意味著所有電池電量都被負載有利地使用，而沒有大量損失。

圖 2：靜態狀態下的接線圖

R DS(on)的計算公式如下：

這個結果完全符合官方數據表中的規格。

此值可能會因其他因素而顯著變化。第一個依賴項指出，R DS(on) 隨著柵極電壓的增加而降低，同時明顯在制造商的規格范圍內。當柵極電壓升得太高時，組件的可靠性會受到影響(參見圖 3 中的圖表)。

圖 3：R DS(on)電阻與柵極電壓的關系圖

圖 4：R DS(on)電阻與結溫的函數關系圖

在第二個相關性中，R DS(on)隨結溫而增加。高溫是電子設計師的大敵，尤其是在大功率領域。出于這個原因，在組件過熱的情況下，始終建議應用被動和主動散熱器。如圖 4 所示，R DS(on)值通常包括在相同的工作環境和施加在輸出端的負載下的以下值：

–50?C：0.0510536 Ω

–40?C：0.056689 Ω

–30?C：0.0625714 Ω

–20?C：0.0687101 Ω

–10?C：0.0751157 Ω

0℃：0.0818013Ω

10℃：0.0887818Ω

20℃：0.0960751Ω

30℃：0.103702Ω

40℃：0.111686Ω

50℃：0.120058Ω

60℃：0.128852Ω

70℃：0.13811Ω

80℃：0.147887Ω

90℃：0.15825Ω

100℃：0.169286Ω

110℃：0.181111Ω

120℃：0.193885Ω

130℃：0.207841Ω

140℃：0.223336Ω

150℃：0.240983Ω

該圖形完全符合制造商數據表的規格。第三個相關性，如圖 5 所示，表明 R DS(on)對漏極上的電流不敏感，除非在極低負載水平下，器件在關鍵區域工作。

圖 5：電阻 R DS(on)與施加到漏極的負載的關系圖

SiC器件速度

SiC 器件的真正性能最顯著地體現在開關應用中，在這種應用中，它必須執行艱苦的工作才能以快速開關速率傳輸大量能量。SiC 器件與其直接前身有很大不同，特別是在高開關速度方面。因此，在為它們提供必要的激活電壓和電流以及完全平滑的方形和矩形信號方面，它們必須先于高質量的驅動器。在低開關速率下(參見圖 6 中的圖表)，這些組件顯然不會引起任何問題，并且負載上的電流準確地跟隨柵極上的驅動信號同相。

當運行速度繼續增長時，負載上的電流不再能夠完全跟隨柵極上的信號，原因有多種，包括：

柵極電阻增加。

柵極的容抗上升到不可接受的水平。

開啟延遲、上升時間、關閉延遲和下降時間參數越來越高。

因此，在高運行速度下，負載上存在的電流“拐點”在上升沿，最重要的是在下降沿變得明顯。在這些情況下，當大量電壓和電流值重疊時，開關損耗變得無法忍受，從而增加了作為無用熱量浪費的功率。