电源设计注意事项：组件的绝对最大额定值的测量和控制

绝对最大额定值是在电子组件中不得超过的运行参数的最大值。它们涉及电压，电流，功率，温度和其他度量单位。如果超过这些值，则组件的性能会很差，甚至会损坏并烧毁。我们将分析如何观察这些值以及如何防止它们被超过。

组件的绝对最大额定值

任何电子组件都必须在最大条件下工作，超过该最大条件便无法正常工作。通常，设计人员在评估这些参数时会犯很多错误，并且在没有任何预测的情况下，电子元件会烧坏。在官方的SiC数据表中，通常必须遵守组件支持的以下最大值，但不得超过以下最大值：

• 漏极–源极电压；
• 持续漏极电流；
• 脉冲漏极电流；
• 栅极-源极电压；
• 栅极-源极浪涌电压；
• 推荐驱动电压；
• 结温；
• 储存温度范围。

其他类型的电子组件的特征在于其他参数。某些值可能会根据其温度而变化，因此在这种情况下，设计师的注意力必须处于最高水平。让我们看一下图1所示的功率晶体管BD243的实际示例。其一些不超过的最大值如下：

• 集电极-发射极电压：80 VDC;
• 集电极电流（连续）：6 A；
• 器件总功耗：65W。

如果单独检查并考虑不超过的值，则电路的最终状况将是灾难性的。实际上，设计人员可能只考虑电压和电流参数。他可以设计一个稳压器，其集电极-发射极电压为50 V（完全在限制范围内），集电极电流为4 A（也处于限制范围内）。设计人员可能对计算感到满意，但仔细检查表明该设备的功耗等于：

P = V * I

P = 50 * 4 = 200瓦

尽管电压和电流完全在最大允许值之内，但晶体管在消耗200 W功率时将立即燃烧。该组件实际上只能承受65 W的功率。因此有必要检查所有关键参数，以免在设备的最终测试期间遇到令人讨厌的意外情况。

图1：BD243功率晶体管

用于测试的SiC Mosfet

用于测量和测试的模型是ROHM SiC N沟道功率MOSFET SCT3160KL，如图2所示。其特点是：

• VDSS：1200 V；
• 包装：TO-247N;
• RDS（on）（Typ。）：160毫欧;
• ID：17A；
• 脉冲漏极电流ID：42 A；
• PD：103 W；
• 栅极–源极电压（DC）：-4 V至+22 V；
• 低导通电阻；
• 切换速度快；
• 快速反向恢复；
• 易于并行。

图2：ROHM的SCT3160KL SiC功率MOSFET

最大功率

如果我们在允许的最大电压和最大的电流下进行SiC工作，则Mosfet会烧坏。在最大VDSS电压为1200V且最大ID电流为17A的情况下，理论功耗约为20400W，这是一个非常大的值（P = V * I）。显然，出于结构和冷却方面的原因，永远无法达到该限制，制造商已将最大功率限制设置为仅103W。此参数与理论上可实现的参数相差甚远。在通过图3的简单电气图执行的下一个仿真中，我们将绘制组件的电压，电流和电流功率的曲线，以及最大耗散功率的曲线。

图3：功率测量应用图

该仿真涉及通过电源电压V1的“扫频”操作对SiC支持的最大功率的测试。具体来说，电路的特性如下：

从0 V到2500 V连续不断地升高电源电压V1;

栅极电压：22 V;

5欧姆R1负载。

以下是SPICE指令，该指令以等于1 V的步幅实现从0 V到2500 V的电源电压“扫频”：

.dc V1 0 2500 1

显然，通过逐渐增加电源电压V1，漏极电压，漏极电流和SiC消耗的功率以及负载R1消耗的功率也会增加。由于组件行为的非线性，这些增加没有遵循成比例的趋势。让我们首先检查图4中的电源电压（浅图）和Vds电压（黑图）的趋势。对于这种类型的电阻性负载，Vds电压的值会随电源V1的增加而按比例增加。请记住，仅考虑电压参数来评估组件的物理和电气极限是错误的。

图4：该图仅显示电源电压V1和电压Vds

现在让我们检查一下漏极电流的趋势（图5中），该趋势与通过负载R1的电流相同。尽管Vds电压在大多数图表中都低于极限，但漏极电流几乎立即达到其最大极限。这意味着，在电路的工作条件下，仅当电压Vds低于88 V时才能使用Mosfet。此外，在这种情况下，我们提醒您，仅考虑电流参数来评估Mosfet是错误的。物理极限和电气组件。

图5：该图仅显示在Mosfet漏极上流动的电流

图6中显示的最终图形更难以理解，但这是提供实际情况和正确管理组件的图形。让我们看看如何阅读它。该图由以下曲线组成，这些曲线是根据接线图在5欧姆的漏极负载下测得的：

红色曲线：（V（DS）* Ix（X1：1）+ V（N001）* Ix（X1：2）：该图遵循SiC Mosfet的功耗。

紫色曲线：这是等于所用SiC Mosfet的103 W的耗散功率所施加的极限，此处显示为参考点；

浅绿色曲线：这是电路电源电压，从0 V增加到770 V（在此特定图中）；

深绿色曲线：这是Mosfet漏极上的电压，如您所见，增加不是线性的；

青色曲线：指示漏极电流。

根据该特定SiC制造商施加的所有最大限制，只能使用棕色突出显示的图形区域。显然，该可用区域仅涉及所使用的这种类型的负载以及此电源电压。对于其他阻抗值，该区域将具有不同的扩展范围。

图6：总图有助于控制组件所消耗的电压，电流和功率，并提供有用的空间以使其在正确的区域中工作

结论

不幸的是，SPICE语言尚未提供描述组件“绝对最大额定值”的参数。但是，从特殊组件的正式数据表中提供的数据开始，使用特殊公式和计算在仿真中突出显示它们非常简单。运行仿真，通过SPICE“ .TEMP”指令修改环境温度也很有趣。
编辑：hfy