电源设计说明：用于高性能应用的 SiC JFET

本文探讨了 JFET SJEP120R100A 的功能和性能 – 本文纯粹是指导性的;此组件不再可用。但是，这种简单的方法也可以应用于其他新组件。在接下来的文章中，将使用其他组件 -这种碳化硅（SiC）JFET可以成功地用于任何需要高功率和快速开关速度的应用。然而，它特别适合在音频行业使用，在高质量放大器中可以找到它。

概述

SJEP120R100A 是一款常关断的 SiC 功率 JFET（见图 1）。它与所有标准集成电路兼容，即使在高达 150°C 的温度下，其开关速度也非常快，没有尾电流。它可以使用简单的方法与其他设备并联。让我们看一下它的一些基本特征，然后通过一些模拟来验证它们：

• R DS（开启） ： 0.08 Ω （最大 0.1 Ω）
• 漏源阻断电压（BV DSS ）： 1，200 V
• 连续漏极电流 （T J = 100°C）： 17 A
• 连续漏极电流 （T J = 150°C）： 11 A
• 脉冲漏极电流（T C = 25°C）： 30 A
• 短路耐受时间：50 μs
• 功耗（T C = 25°C）： 114 W
• 栅源电压 （V 一般事务人员 ）： 从 –10 V 到 15 V
• 工作和储存温度：–55°C 至 150°C

图 1：JFET SJEP120R100A 及其引脚排列

要运行仿真，您必须首先在互联网上搜索组件的 SPICE 模型，然后可以直接在您选择的模拟器中使用。或者，可以使用万用表和示波器直接在设备上进行测量。

.subckt SJEP120R100 D G S

.参数 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

吉迪吉 S SJEP120R100

.型号 SJEP120R100 njf

• Vto=1 贝塔=10.5 B=1
• λ=2m vk=2k alpha=20u
• Is=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

.结束 SJEP120R100

该模型包含组件的主要电气和电子特性，例如：

导通电阻

这可能是开发系统时要考虑的最重要的参数之一。在饱和状态下，它是组件为漏极和源极之间的电流提供的电阻。结果，R DS（开启） 是计算开关电源应用中导通损耗的重要指标。当开关设备关闭时，其漏源电压非常高，但当它打开时，电压下降到几百毫伏。因此，当这个数字尽可能低时，随着相对散热的下降，可以实现最佳效率。理想组件具有 R DS（开启） 等于 0，但目前，即使新技术大幅降低该值，也始终需要最小电阻。但是，应该注意的是，即使是最好的铜线或银线也没有零电阻。为了获得广义结果，在计算R之前，必须在静态状态下测量漏极电流和漏源电压 DS（开启） .图2显示了器件饱和度的通用接线图，用于进行一些测量。它由以下元素组成：

• V1：主电源电压200V
• V2：“栅极”驱动电压为 15 V
• J1： JFET SJEP120R100A
• R1： 25-Ω阻性负载

所有这些数字都是使用组件官方数据表中的“绝对最大额定值”数字计算得出的。当电路导通时，大电流从漏极流向源极，产生以下结果：

• 漏极电流为 7.97 A
• 漏源电压为 807.7 mV
• 器件耗散仅为 6.47 W
• 1，587-W 负载耗散（这是完全正常的）

在这种情况下，静态效率为99.6%，这意味着负载有利地利用了所有电池电量，而不会造成重大损失。

图 2：静态状态下的接线图

R型 DS（开启） 使用以下公式计算：

该结果与官方数据表中的规格完全吻合。

此值可能会因其他因素而有很大差异。第一个依赖方声明 R DS（开启） 随着栅极电压的增加而降低，同时明显符合制造商的规格。当栅极电压上升过高时，元件的可靠性会受到影响（见图3中的图表）。

图 3：R 的图形DS（开启）电阻与栅极电压的关系

图 4：R 的图形DS（开启）电阻与结温的关系

在第二个依赖关系中，R DS（开启） 随结温升高而升高。高温是电子设计师的大敌，尤其是在大功率领域。因此，如果组件过热，始终建议使用被动和主动散热器。如图4所示，R型 DS（开启） 值通常包括在相同的工作条件下的以下值，并在输出端施加负载：

• –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°C： 0.0818013 Ω
• 10°C： 0.0887818 Ω
• 20°C： 0.0960751 Ω
• 30°C： 0.103702 Ω
• 40°C： 0.111686 Ω
• 50°C： 0.120058 Ω
• 60°C： 0.128852 Ω
• 70°C： 0.13811 Ω
• 80°C： 0.147887 Ω
• 90°C： 0.15825 Ω
• 100°C： 0.169286 Ω
• 110°C： 0.181111 Ω
• 120°C： 0.193885 Ω
• 130°C： 0.207841 Ω
• 140°C： 0.223336 Ω
• 150°C： 0.240983 Ω

图形完全遵循制造商数据表的规格。第三个依赖项（如图 5 所示）指出 R DS（开启） 对漏极上的电流不敏感，除非在极低的负载水平下，器件在关键区域工作。

图 5：电阻 R 的图形DS（开启）作为施加到排水管的负载的函数

碳化硅器件速度

SiC器件的真实性能在开关应用中表现得最为明显，在开关应用中，它必须执行艰苦的工作，以快速开关速率传输大量能量。SiC器件与其直接前代产品有很大不同，特别是在高开和关速方面。因此，在它们之前必须配备高质量的驱动器，以便为它们提供必要的激活电压和电流，以及完全平滑的方形和矩形信号。在低开关速率下（见图6中的图表），这些元件显然不会引起任何问题，负载上的电流精确地跟随栅极上的驱动信号同相。

当工作速度持续增长时，由于各种原因，负载上的电流不再能够完全跟随栅极上的信号，包括：

• 栅极电阻增加。
• 栅极的容抗上升到不可接受的水平。
• 导通延迟、上升时间、关断延迟和下降时间参数越来越高。

结果，在高运行速度下，负载上电流“膝盖”的存在变得明显，在上升沿，最重要的是，在下降沿。在这些情况下，当显著的电压和电流值重叠时，开关损耗变得无法忍受，从而增加了作为无用热量浪费的功率。

图 6：SiC 器件的开关速度对组件的性能有重大影响。

结论

上述所有测量表明，在使用SiC器件进行开关之前，设计人员应检查电力电子系统的工作要求，并直接考虑制造商数据手册上的组件规格。这是设计人员确保选择最佳器件的唯一方法。