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电源设计中尝试使用GaN晶体管

熊本熊 来源:熊本熊 作者:熊本熊 2022-08-05 08:04 次阅读

GaN 晶体管是新电源应用的理想选择。它们具有小尺寸、非常高的运行速度并且非常高效。它们可用于轻松构建任何电力项目。在本教程中,我们将使用 GaN Systems 的 GaN GS61008T 进行实验。

GS61008T的特点

这是一种非常先进的功率晶体管。它是高电流、高电压和高开关频率应用的理想选择。它的特点是低电感和低热阻,所有这些都包含在一个小封装中。其非常高的开关效率使其最适合用于极端功率应用。最常见的应用包括 AC-DC 转换器工业电机机器人、牵引、D 类音频放大器和快速电池充电,即使在无线模式下也是如此。以下是它的一些值得注意的功能:

顶部冷却配置;

Rds(开):7 毫欧(0.007 欧);

Id(最大):90 A;

漏源电压(Vds):100 V;

用 0 V 和 6 V 之间的电压简单驱动“门”;

低电感;

结工作温度(Tj):从-55°C到+150°C;

非常高的开关频率(》 10 MHz);

快速且可控的上升和下降时间;

尺寸为 7.0 x 4.0 毫米;

热阻:0.55°C/W;

存在两个“门”,以便在 PCB 上进行舒适的布置。

Rds(on) 和效率的模拟

我们可以首先分析饱和状态下 Rds (on) 的测量值,从而分析功率器件的静态效率。应用示意图见图2。

pYYBAGHFQdiANQS9AAAydRdcOEs823.png

图2 GaN静态测试接线图

电路的静态工作值如下:

电压:100 伏;

负载电阻:5欧姆;

Vg:6V;

通过负载的电流:19.98 A;

Rds (on) 值为 0.0061167 Ohm (6.1 mOhm)。在电路的工作条件下,仿真计算了器件的静态电阻值,确认了官方数据表上的一般特性。

我们得到 GS61008T 的效率值:99.8778%。

在这些条件下,即使 20 安培的电流穿过漏源结,GaN 在工作时也几乎保持低温。耗散实际上等于 GS61008T:2.44 瓦。

有趣的是,当任何类型的负载应用于电路输出时,静态效率都非常高。效率百分比非常高,分析了 1 欧姆和 101 欧姆之间的欧姆电阻。电阻值的扫描可以通过 SPICE 指令进行:

.step 参数负载 1 101 2

RDS(on) 对温度的依赖性

不幸的是,温度总是会影响任何电子元件。随着温度的变化,GaN 也会受到操作条件的影响。幸运的是,所检查的 GaN 模型最大限度地减少了这些变化。仿真提供了 -55° C 和 +150° C 之间温度的观察结果。虽然 DS 结的电阻值在所有工作条件下都不相同,但电路的效率始终非常高,大于 99.7 %在所有情况下。

poYBAGHFQmGAf3oNAABEZxWHnUo548.png

图 3:Rds(on) 作为温度的函数

GS61008T 的 Ids 与 Vds

一个非常有趣的模拟功能是突出了在不同栅极极化下漏极电流与 Vds 电压相关的趋势。Mosfet 的行为随结温变化极大。以下示例提供了一个经典电路,例如上面检查的电路,其中以下静态参数有所不同:

MOSFET:GS61008T

Vds:从 0 V 到 20 V 连续;

Vg:从 2 V 到 6 V,步长为 1 V;

结温:25 V 和 150 V。

请记住,要改变 Vds,可以使电源电压 V1 多样化或修改负载 R1 的电阻值。由于我们正在以 1 V 的步长检查栅极电压 Vgs,因此我们将在图中观察到的曲线指的是等于 2 V、3 V、4 V、5 V 和 6 V 的五个驱动电压。 SPICE 指令来自因此,在仿真软件中设置的电压发生器 V1 和 V2 的扫描如下:

.dc V1 0 100 1 v2 2 6 1

此外,还必须提供以下 SPICE 指令来设置系统温度,分别为 25°C 和 150°C:

.temp 25

或者

.temp 150

通过执行直流仿真,软件生成如图4所示的图形。

图表非常清晰,表达了一个基本概念:组件在较低温度下工作得更好。25°C 的结温可实现出色的性能和非常高的效率。在 150 °C 的极限温度下,传输中的电流会急剧降低,几乎将其值减半,即使栅极上的电压值不同。

pYYBAGHFQm2Ad8SPAACSw1Zi2d8643.png

图 4:GS61008T GaN MOSFET 的特性曲线

结论

要使用 GaN,强烈建议查阅官方数据表,以避免超出制造商施加的限制并实现设备的最大性能。可以进行其他模拟示例,例如通过修改“栅极”电压来控制和测量“漏极”电流,或电路效率随温度的变化。无论如何,必须考虑到,今天,GaN 是极其快速、坚固且功能强大的开关器件,并且在未来,它们将允许制造性能越来越高的汽车和转换器。

审核编辑:郭婷

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