电源设计说明中使用GaN器件进行LTspice仿真

多年来，技术进步使得从功率器件获得高级性能成为可能。氮化镓 （GaN）不同于硅 （Si）。它是一种类似于晶体的材料，能够传导更高的电压。与硅元件相比，电流可以更容易地通过元件，从而提高效率并减少产生的热量。即使使用这种新型材料，最好的电子仿真程序也正在丰富其用于功率器件的这些组件的库。本文解释了如何通过LTspice程序导入和使用 GaN 组件库来执行任何类型的电子仿真。

氮化镓的优势

GaN 技术优于硅，可实现更高效的功率转换。GaN 的使用不仅会影响功率晶体管，还会影响整个系统和成本。使用 GaN，电源和转换器体积缩小 4 倍，重量减轻 4 倍，效率提高 4 倍。使用 GaN MOSFET 的推荐“栅极”电压为 6 V/0 V，适用于高达 1，500 W 的系统。一些项目还提供使用 +6 V/–3 V 电压激活器件的可能性较小对电路的干扰。在任何情况下，最大栅极电压为 7 V，即使通过 +10 V/–20 V 驱动组件不会烧毁。

使用 GaN Systems 的功率晶体管进行首次测试

我们第一次测试使用的模型是 GaN Systems GS61008P，如图 1 所示。它的特点是：

100V 功率晶体管

底部的冷却配置

［R DS（ON）：7毫欧

I DS（最大）：90 A

低电感 GaNPX 容器

“栅极”电压从 0 V 到 6 V

非常高的开关频率 （》10 MHz）

快速且可控的上升和下降时间

反向电流能力

反向恢复零损耗

减少了 7.6 × 4.6 的 PCB 占用空间

用于优化栅极驱动的源极检测引脚

符合 RoHS 3 （6 + 4）

图 1：GaN Systems 的 GS61008P GaN 晶体管

制造商提供的库

各大电子元器件厂商都深知产品随附的SPICE模型非常有价值。事实上，它们允许对各种设备进行完美模拟，并且由于它们是由同一家公司创建的，因此可以肯定所讨论的组件在其所有配置中都能完美运行。因此，在您自己的电子模拟器中使用 SPICE 模型现在是一个强制性步骤。现在让我们看看成功使用来自 GaN Systems 的 GaN GS61008P 晶体管的 SPICE 库的各个步骤。从图 2 中可以看出，晶体管数据表（以及其他组件）通常包括几个项目。检查是否存在“SPICE 模型”或类似的模型。它允许下载包含多个文档的压缩档案。在这个特定的 ZIP 中，

.asy：这些文件包含单个电子元件的设计。

.lib：这是包含组件 SPICE 指令的实际库。

.pdf：PDF 文档包含一些关于将组件与模拟程序一起使用的建议。它不是设备的数据表。

特别是，我们测试感兴趣的文件如下：

GaN_LTspice_GS61008P_L1V4P1.asy

GaN_LTspice_GS61008P_L1V4P1.lib

Spice 模型用户指南_190729.pdf

图 2：GS61008P GaN 页面

LTspice 上的符号

对于此示例，我们很幸运拥有由同一组件制造商创建的 GaN 晶体管的电气符号。使用LTspice程序，我们可以打开文档GaN_LTspice_GS61008P_L1V4P1.asy观察其特性，如图3所示。 符号很简单，可以看到组件的一些连接的存在，允许与外界连接。 它们是门——必须包含与 SPICE 模型中相同名称的元素。如果没有，则需要在库或符号本身中重命名它们。如果接线图需要，还可以使用线、圆和文本工具用更多图形元素丰富符号。文档的扩展名，让我们记住这里，是“.asy”。

图 3：有问题的 GaN 的电气符号，由同一组件制造商创建

开关速度测试

必须将前两个文件（.asy 和 .lib）与应用程序接线图（扩展名为 .asc）一起复制到工作文件夹中。如果库、符号和设备具有相同的名称，则不需要使用“.INCLUDE”指令。可以在图 4 中看到的测试电路图执行晶体管的有效开关速度测试。在图中，可以观察到以下操作特性，这些值完全落在相关组件的“绝对最大额定值”范围内：

电源电压：48 VDC （V2）

栅极电压：6 VDC 脉动

负载：5-Ω 功率电阻

图4：GS61008P测试接线图

瞬态仿真的执行涉及晶体管在 10 kHz 的换向，产生了图 5 中可观察到的两个波形图。在图中，我们可以观察到两个信号，方波：

红色图（v_gate），代表元件“门”上0 V/6 V的方波脉动电压

蓝色图 （I_R2），代表传输中的电流

如您所见，对于 10 kHz 的频率，两个信号完全同步且彼此同相。在这些工作条件下，电路效率为 99.8%。频率的增加显然会大大降低效率。下表显示了 10 kHz 和 5 MHz 之间某些频率的值：

10，000 赫兹：99.88%

20，000 赫兹：99.86%

30，000 赫兹：99.84%

40，000 赫兹：99.82%

50，000 赫兹：99.80%

60，000 赫兹：99.77%

70，000 赫兹：99.75%

80，000 赫兹：99.73%

90，000 赫兹：99.71%

100，000 赫兹：99.69%

200，000 赫兹：99.48%

500，000 赫兹：98.90%

1，000，000 赫兹：98.06%

2，000，000 赫兹：96.69%

5，000，000 赫兹：96.13%

图 5：负载上的栅极电压和电流的开关图

随着开关频率的增加，输出端的信号开始发生自然失真。无论如何，本文中介绍的设备是市场上速度最快的设备之一，初始特性证明了这一点。图 6 显示了四个 FFT 图，用于检查负载上的输出电流失真，频率为 10 kHz、100 kHz、1 MHz 和 2.5 MHz。

图 6：10 kHz、100 kHz、1 MHz 和 2.5 MHz 频率下负载电流的 FFT 图

使用 EPC 的 eGaN FET EPC2001 进行第二次测试

该 EPC 设备具有非常有趣的功能：

漏源电压 （V DS ）（连续）：100 V

漏源电压 （V DS ）（在 125°C 时高达 10，000 个 5 毫秒脉冲）：120 V

负载电流 （I D ）（连续）：25 A

负载电流 （I D ）（脉冲）：100 A

栅源电压 （V GS ）：–5 V/+6 V

工作温度 （T j ）：–40°C 至 125°C

按照上述说明导入模型后，您可以创建图 7 的接线图，其目的是连续驱动负载。以下分析用于计算 R DS（on）值。运行参数如下：

Vcc （V1）：80V

栅极 （V2）：5V

负载电阻 （R1）：3.2 Ω

静态状态下的模拟提供以下结果：

V DS ： 142.99 mV

I （R1）：24，955 A

MOSFET 的功耗：3.5724 W

R1 消耗的功率：1，992.9 kW

电池 V1 耗散功率：1，996.4 kW

因此，效率为：

（ V （R1） × I （R1） ） / （ V （V1） × I （V1） ） × 100 = 1.9929 / 1.9964 × 100 = 99.82%

现在，让我们计算上面指定的工作条件下的 R DS（on）：

R = V / I = V DS / I （R1） = 0.143 / 24.955 = 0.0057 Ω = 5.7 mΩ

图 7：EPC2001 测试接线图

结论

能够在不实际使用的情况下模拟 GaN 器件是一项极其重要的操作，将任何电子元件导入您最喜欢的模拟器非常有用。由于采用了 SPICE 模型，即使是新的电子元件也可以通过极其简单和安全的方式成功测试。

审核编辑：郭婷