Figura 1: Diagrama de cableado para operación de zona lineal de MOSFET SiC.
El diagrama de cableado consta de un suministro de 200 V (V1) y un muy robusto 100-Ω Carga resistiva (R1), C3M0160120D SiC MOSFET (U1) y generador de voltaje variable (-4 V a 15 V) para accionar la compuerta MOSFET con función de controlador (V2). La figura también incluye un disipador de calor.
La simulación eléctrica del sistema no incluye un modo transitorio, pero sí incluye un modo de barrido de CC en el que se inspecciona la tensión de alimentación de todas las puertas de -4 V a 15 V en pasos de 10 mV.
De esta manera, puede ver cómo reacciona el MOSFET a diferentes voltajes de puerta. A continuación se encuentran las directivas de SPICE para ejecutar este tipo de simulación.
El primer gráfico que observamos es el de la Figura 2, que muestra la corriente a través de la carga en función del voltaje de la puerta. El voltaje en la puerta se representa en el eje X y la corriente en la carga se representa en el eje Y.
- El componente está en la región de bloqueo de la izquierda (azul) porque el voltaje de puerta (-4 V a 3 V) no es suficiente para conducir el dispositivo. En este estado, el MOSFET no conduce corriente y la unión DS es efectivamente un circuito abierto (aproximadamente 400 MΩ).
- El voltaje de puerta (7 V a 15 V) es suficiente para conducir el dispositivo, por lo que el dispositivo está en la región correcta (verde) y el componente está en la zona de saturación. En este estado, el MOSFET conduce la corriente máxima y la unión DS es efectivamente un circuito cerrado (alrededor de 160 m).Ω).
- La región central (roja), donde los componentes están dispuestos en la región lineal, es donde el voltaje de puerta (3 V a 7 V) permite que el dispositivo conduzca corriente parcial. En esta situación el MOSFET se calienta considerablemente y actúa como un regulador de corriente menos eficiente. La unión DS tiene una resistencia óhmica de 6 kΩ.Ω y dos Ω.
FIGURA 2: GRÁFICO DE CORRIENTE DE CARGA VS VOLTAJE DE PUERTA
Tabla de contenido
potencia consumida por el dispositivo
En el ejemplo anterior, la corriente a través del dispositivo representa un comportamiento típico porque la resistencia óhmica del canal DS disminuye a medida que aumenta el voltaje de la puerta. El voltaje en la puerta se representa en el eje x y la potencia disipada por el MOSFET se representa en el eje y.
Por otra parte, como el gráfico figura 3 Como se muestra, la trayectoria del consumo de energía es bastante impresionante. En este caso, también verá tres secciones separadas.
- El voltaje de puerta para la región izquierda es de -4 V a 2 V. En este caso, el MOSFET está en un estado desactivado, no extrae corriente de la carga y prácticamente no consume energía.
- El voltaje de puerta para la región derecha es de 6 V a 15 V. En este caso, el MOSFET está completamente saturado, la corriente máxima pasa a través de la carga y la disipación de potencia es de 1,5 W en promedio. Esta disipación se debe al valor de R.SD (activado)que es muy bajo, pero aún no cero en el estado de la tecnología moderna.
- Dado que el voltaje de la puerta está entre 2 V y 6 V, el MOSFET está en la zona lineal en la región media. En este caso, el MOSFET está en la zona activa y la potencia disipada es muy alta, con un pico de alrededor de 100 W, lo que provoca una acumulación de calor importante. Aunque teóricamente es importante no colocar el área activa del semiconductor dentro de este rango, los diseñadores pueden hacerlo intencionalmente.
FIGURA 3: PARTE DE DISIPACIÓN DE POTENCIA DEL MOSFET DEL VOLTAJE DE LA PUERTA
eficiencia
La eficiencia del sistema también es inversamente proporcional a la eficiencia de la potencia disipada por los MOSFET. La fórmula para calcular la eficiencia de un circuito común es:
gráfico de Figura 4 Muestra la tendencia de eficiencia del circuito con respecto al voltaje de puerta. Cuando este último está alrededor de 2 V a 5,5 V, el MOSFET opera en su región lineal y la eficiencia del sistema no es óptima.
Este valor alcanza casi el 100% cuando el dispositivo está en la zona de saturación. El eje X representa el voltaje en la puerta y el eje Y representa la eficiencia del circuito en porcentaje.
FIGURA 4: EFICIENCIA DEL SISTEMA VS PARTE DE VOLTAJE DE LA PUERTA
Temperatura de funcionamiento MOSFET
El control de la temperatura de la unión entre el dispositivo y el disipador térmico también es un privilegio muy importante, ya que permite al diseñador determinar con precisión las corrientes y dimensiones relevantes del sistema de refrigeración. Al adoptar el modelo SOAtherm-HeatSink disponible en la biblioteca LTspice, es posible monitorear dos temperaturas siempre que el componente semiconductor SPICE esté equipado con una ‘T’.C” y Tj” Terminal. En este ejemplo, el material del disipador de calor es aluminio. Su resistencia térmica (Rθ) es de 0,2°C/W. La temperatura ambiente para la simulación es de 25°C. El área de contacto final entre el componente electrónico y el disipador de calor es de 300 mm.2el volumen de este último es de 5.000 mm3.
Finalmente, en el gráfico Figura 5, se pueden observar las tendencias de temperatura asociadas con las uniones y los disipadores de calor. El gráfico los reporta como voltajes en voltios, pero son temperaturas completas en grados Celsius. Tenga en cuenta que el dominio es el dominio del voltaje de la puerta, no el dominio del tiempo.
El gráfico muestra dos situaciones diferentes.
- Las temperaturas de la unión y del disipador de calor son sustancialmente iguales a la temperatura ambiente (equivalente a 25 °C) en las regiones de parada y saturación del MOSFET, y los voltajes de compuerta entre -4 V y 2 V, luego 9 V y 15 V entre
- En la zona lineal la temperatura es crítica, alcanzando los picos más altos los 230°C en la unión y los 103°C en el disipador de calor. Estas condiciones obviamente destruyen el MOSFET.
FIGURA 5: TEMPERATURA DE UNIÓN Y DISIPADOR VS PARTE DE VOLTAJE DE LA PUERTA
amplificador de audio
La construcción de un amplificador de audio de clase A utilizando MOSFET de SiC en la región lineal es un experimento interesante (consulte el diagrama de principio). Figura 6). Los amplificadores de clase A son muy raros hoy en día. Sin embargo, si necesita amplificar una señal con muy poca distorsión, un amplificador Clase A puede ayudar. Desde el punto de vista del audio, en este caso el dispositivo funciona en la región lineal perfecta, lo que garantiza un rendimiento eficiente. El principal inconveniente es que los amplificadores de clase A generan mucho calor para disipar, porque tanto el MOSFET como la resistencia de carga deben consumir mucha corriente incluso cuando no hay señal de audio presente. Por lo tanto, el sistema siempre funcionará a la máxima potencia disponible.
Figura 6: Los amplificadores de clase A no distorsionan la señal de audio, pero generan mucho calor.
En el diagrama de cableado, la resistencia de carga R1 debería poder soportar al menos 130 W, pero el MOSFET disipa 60 W. Obviamente, la potencia de sonido entregada es mucho menor y la eficiencia es muy baja.
de Figura 7las señales de entrada y salida (esta última en oposición de fase a la primera y con una frecuencia de 300 Hz) y sobre todo se puede observar una distorsión armónica inferior al 6%.
FIGURA 7: PROCESAMIENTO FFT ASOCIADO A UNA SEÑAL AMPLIFICADA CLASE A
Conclusión
Con los enfoques de investigación de alta eficiencia de hoy en día, ya no tiene sentido usar semiconductores en el régimen lineal, y es mucho mejor confiar en PWM y soluciones de conmutación que posiblemente garanticen un mayor rendimiento.