Simulazione del comportamento termico e di commutazione del MOSFET SiC in LTspice

un giorno fa p Robert Keim L'articolo precedente ha spiegato come incorporare i modelli MOSFET in carburo di silicio (SiC) di Wolfspeed in LTspice e come aggiungere un dispositivo specifico a uno schema. Ora, vorrei discutere alcuni dettagli relativi a questi modelli SPICE, quindi esamineremo il comportamento di commutazione del C2M0025120D, che è un FET SiC a canale N in un pacchetto TO-247 in grado di gestire 90 A di corrente di drenaggio continua e resistenza tipica allo stato on di 25 mΩ. I modelli SPICE che stiamo usando in questa serie sono piuttosto tipici per quanto riguarda il comportamento elettrico, ma Wolfspeed ha incorporato alcune interessanti caratteristiche relative alla temperatura che, nella mia esperienza, sono abbastanza insolite.
Diamo un'altra occhiata al circuito che ho presentato alla fine dell'articolo precedente: Come previsto, abbiamo terminali gate, drain e source, ma quali sono quelle connessioni Tj e Tc? Questi sono "terminali" per la temperatura di giunzione e la temperatura della custodia e introducono alcune preziose funzionalità in questi modelli. L'idea qui è che la temperatura sia monitorata e controllata come se fosse una tensione, in modo che possiamo facilmente integrare l'analisi termica e la sperimentazione nelle nostre simulazioni SPICE basate su tensione e corrente. Sia per Tj che per Tc, 1 V corrisponde a 1 ° C.
Un modo semplice per usare questi pin è collegare Tc a una tensione costante che rappresenta la temperatura ambiente e quindi osservare come il funzionamento del circuito influisce su Tj. Nel circuito sottostante, ho collegato Tc a una temperatura ambiente di 25 ° C e ho cambiato la resistenza di carico a 2 Ω, il che si traduce in una corrente di carico continua di circa 50 A quando il transistor è acceso. Ecco le temperature a lungo termine della custodia e della giunzione: Come puoi vedere, Tc rimane costante alla temperatura ambiente prescelta.
Tj è inizialmente alla stessa temperatura di Tc, ma dopo l'accensione del FET, una corrente di drenaggio elevata provoca un rapido aumento della temperatura. Il dispositivo raggiunge l'equilibrio termico dopo circa 100 ms, stabilendosi a una temperatura di giunzione di 43,6 ° C.
Una cosa importante da capire sulla temperatura di giunzione in uno scenario come questo è che il valore presente sul terminale Tj non è semplicemente "informativo". Il comportamento elettrico del modello SPICE cambia in risposta alle condizioni termiche del dispositivo e, di conseguenza, è possibile utilizzare il pin Tc non solo per stimare la temperatura di giunzione, ma anche per esplorare la relazione tra temperatura ambiente e variazioni delle prestazioni elettriche. Applicando una tensione al terminale Tc, è possibile osservare come Tj cambia nel tempo. Se invece si desidera caratterizzare il comportamento elettrico del FET a una temperatura di giunzione specifica, è possibile applicare una tensione al terminale Tj e lasciare il terminale Tc non è collegato. L'applicazione di una tensione fissa a Tj è obbligatoria quando si esegue una simulazione CC, poiché il modello deve sapere quale temperatura di giunzione deve utilizzare per il calcolo di correnti e tensioni. Devi ancora fare qualcosa con il terminale Tc o Tj.
Il modello non funziona se entrambi non vengono collegati. Possiamo usare il seguente semplice circuito per fare qualche sperimentazione di base con l'uso di un FET al carburo di silicio per compiti di commutazione ad alta potenza - come azionamento del motore, regolazione della modalità di commutazione o riscaldamento a induzione - che normalmente realizzeremmo con un silicio MOSFET o IGBT. La scheda tecnica per C2M0025120D raccomanda tensioni operative gate-source di +20 V e –5 V, quindi ho configurato V2 come un'onda quadra che oscilla tra questi due valori con tempi di salita e discesa di 10 ns.
Ecco un diagramma della tensione di gate e della corrente attraverso Rload. Poiché il tempo di salita / discesa della traccia verde è di soli 10 ns, possiamo vedere che il FET ottiene una rapida commutazione del carico: meno di 65 ns per entrambe le transizioni di accensione e spegnimento. Come mostrato nel diagramma seguente, la corrente sullo stato si stabilizza a circa 49.
2 A. La tensione di alimentazione per il carico è 100 V, quindi la resistenza totale del percorso di carico è 100 V / 49,2 A = 2.
03 Ω. Abbiamo un carico di 2 Ω, quindi la resistenza allo stato on del FET SiC è di circa 30 mΩ, che è molto vicino al valore del foglio dati di 25 mΩ. Facciamo un breve esperimento prima di finire.
Cosa succede se cambiamo la forma d'onda del gate-drive in qualcosa di molto più conveniente, diciamo da 0 a 5 V anziché da -5 a 20 V? La tensione di soglia tipica di C2M0025120D è solo 2,6 V, quindi il circuito dovrebbe essere funzionale. Tuttavia, prevediamo prestazioni significativamente ridotte e, come mostra la trama successiva, questo è esattamente ciò che otteniamo.
Ora abbiamo un bel po 'di squilli sui fronti di salita della corrente di carico e la resistenza nello stato on è aumentata a circa 29 Ω. Siamo in grado di migliorare significativamente la resistenza e lo squillo sullo stato aumentando la tensione di accensione a 10 V, ma il tempo di salita della corrente di carico è piuttosto lungo: Abbiamo effettuato alcune simulazioni di base del comportamento di commutazione del carburo di silicio in un'applicazione ad alta potenza e abbiamo anche discusso della funzionalità relativa agli effetti termici dei modelli SiC SPICE di Wolfspeed. Se hai idee per simulazioni utili o interessanti che coinvolgono la tecnologia SiC o se hai mai usato simulazioni per facilitare il passaggio dai componenti al silicio ai componenti SiC, faccelo sapere nei commenti !.