電源設(shè)計(jì)說明中使用GaN器件進(jìn)行LTspice仿真

多年來(lái)，技術(shù)進(jìn)步使得從功率器件獲得高級(jí)性能成為可能。氮化鎵 （GaN）不同于硅 （Si）。它是一種類似于晶體的材料，能夠傳導(dǎo)更高的電壓。與硅元件相比，電流可以更容易地通過元件，從而提高效率并減少產(chǎn)生的熱量。即使使用這種新型材料，最好的電子仿真程序也正在豐富其用于功率器件的這些組件的庫(kù)。本文解釋了如何通過LTspice程序?qū)牒褪褂?GaN 組件庫(kù)來(lái)執(zhí)行任何類型的電子仿真。

氮化鎵的優(yōu)勢(shì)

GaN 技術(shù)優(yōu)于硅，可實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換。GaN 的使用不僅會(huì)影響功率晶體管，還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)和成本。使用 GaN，電源和轉(zhuǎn)換器體積縮小 4 倍，重量減輕 4 倍，效率提高 4 倍。使用 GaN MOSFET 的推薦“柵極”電壓為 6 V/0 V，適用于高達(dá) 1，500 W 的系統(tǒng)。一些項(xiàng)目還提供使用 +6 V/–3 V 電壓激活器件的可能性較小對(duì)電路的干擾。在任何情況下，最大柵極電壓為 7 V，即使通過 +10 V/–20 V 驅(qū)動(dòng)組件不會(huì)燒毀。

使用 GaN Systems 的功率晶體管進(jìn)行首次測(cè)試

我們第一次測(cè)試使用的模型是 GaN Systems GS61008P，如圖 1 所示。它的特點(diǎn)是：

100V 功率晶體管

底部的冷卻配置

［R DS（ON）：7毫歐

I DS（最大）：90 A

低電感 GaNPX 容器

“柵極”電壓從 0 V 到 6 V

非常高的開關(guān)頻率 （》10 MHz）

快速且可控的上升和下降時(shí)間

反向電流能力

反向恢復(fù)零損耗

減少了 7.6 × 4.6 的 PCB 占用空間

用于優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)的源極檢測(cè)引腳

符合 RoHS 3 （6 + 4）

圖 1：GaN Systems 的 GS61008P GaN 晶體管

制造商提供的庫(kù)

各大電子元器件廠商都深知產(chǎn)品隨附的SPICE模型非常有價(jià)值。事實(shí)上，它們?cè)试S對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行完美模擬，并且由于它們是由同一家公司創(chuàng)建的，因此可以肯定所討論的組件在其所有配置中都能完美運(yùn)行。因此，在您自己的電子模擬器中使用 SPICE 模型現(xiàn)在是一個(gè)強(qiáng)制性步驟?，F(xiàn)在讓我們看看成功使用來(lái)自 GaN Systems 的 GaN GS61008P 晶體管的 SPICE 庫(kù)的各個(gè)步驟。從圖 2 中可以看出，晶體管數(shù)據(jù)表（以及其他組件）通常包括幾個(gè)項(xiàng)目。檢查是否存在“SPICE 模型”或類似的模型。它允許下載包含多個(gè)文檔的壓縮檔案。在這個(gè)特定的 ZIP 中，

.asy：這些文件包含單個(gè)電子元件的設(shè)計(jì)。

.lib：這是包含組件 SPICE 指令的實(shí)際庫(kù)。

.pdf：PDF 文檔包含一些關(guān)于將組件與模擬程序一起使用的建議。它不是設(shè)備的數(shù)據(jù)表。

特別是，我們測(cè)試感興趣的文件如下：

GaN_LTspice_GS61008P_L1V4P1.asy

GaN_LTspice_GS61008P_L1V4P1.lib

Spice 模型用戶指南_190729.pdf

圖 2：GS61008P GaN 頁(yè)面

LTspice 上的符號(hào)

對(duì)于此示例，我們很幸運(yùn)擁有由同一組件制造商創(chuàng)建的 GaN 晶體管的電氣符號(hào)。使用LTspice程序，我們可以打開文檔GaN_LTspice_GS61008P_L1V4P1.asy觀察其特性，如圖3所示。 符號(hào)很簡(jiǎn)單，可以看到組件的一些連接的存在，允許與外界連接。 它們是門——必須包含與 SPICE 模型中相同名稱的元素。如果沒有，則需要在庫(kù)或符號(hào)本身中重命名它們。如果接線圖需要，還可以使用線、圓和文本工具用更多圖形元素豐富符號(hào)。文檔的擴(kuò)展名，讓我們記住這里，是“.asy”。

圖 3：有問題的 GaN 的電氣符號(hào)，由同一組件制造商創(chuàng)建

開關(guān)速度測(cè)試

必須將前兩個(gè)文件（.asy 和 .lib）與應(yīng)用程序接線圖（擴(kuò)展名為 .asc）一起復(fù)制到工作文件夾中。如果庫(kù)、符號(hào)和設(shè)備具有相同的名稱，則不需要使用“.INCLUDE”指令?？梢栽趫D 4 中看到的測(cè)試電路圖執(zhí)行晶體管的有效開關(guān)速度測(cè)試。在圖中，可以觀察到以下操作特性，這些值完全落在相關(guān)組件的“絕對(duì)最大額定值”范圍內(nèi)：

電源電壓：48 VDC （V2）

柵極電壓：6 VDC 脈動(dòng)

負(fù)載：5-Ω 功率電阻

圖4：GS61008P測(cè)試接線圖

瞬態(tài)仿真的執(zhí)行涉及晶體管在 10 kHz 的換向，產(chǎn)生了圖 5 中可觀察到的兩個(gè)波形圖。在圖中，我們可以觀察到兩個(gè)信號(hào)，方波：

紅色圖（v_gate），代表元件“門”上0 V/6 V的方波脈動(dòng)電壓

藍(lán)色圖 （I_R2），代表傳輸中的電流

如您所見，對(duì)于 10 kHz 的頻率，兩個(gè)信號(hào)完全同步且彼此同相。在這些工作條件下，電路效率為 99.8%。頻率的增加顯然會(huì)大大降低效率。下表顯示了 10 kHz 和 5 MHz 之間某些頻率的值：

10，000 赫茲：99.88%

20，000 赫茲：99.86%

30，000 赫茲：99.84%

40，000 赫茲：99.82%

50，000 赫茲：99.80%

60，000 赫茲：99.77%

70，000 赫茲：99.75%

80，000 赫茲：99.73%

90，000 赫茲：99.71%

100，000 赫茲：99.69%

200，000 赫茲：99.48%

500，000 赫茲：98.90%

1，000，000 赫茲：98.06%

2，000，000 赫茲：96.69%

5，000，000 赫茲：96.13%

圖 5：負(fù)載上的柵極電壓和電流的開關(guān)圖

隨著開關(guān)頻率的增加，輸出端的信號(hào)開始發(fā)生自然失真。無(wú)論如何，本文中介紹的設(shè)備是市場(chǎng)上速度最快的設(shè)備之一，初始特性證明了這一點(diǎn)。圖 6 顯示了四個(gè) FFT 圖，用于檢查負(fù)載上的輸出電流失真，頻率為 10 kHz、100 kHz、1 MHz 和 2.5 MHz。

圖 6：10 kHz、100 kHz、1 MHz 和 2.5 MHz 頻率下負(fù)載電流的 FFT 圖

使用 EPC 的 eGaN FET EPC2001 進(jìn)行第二次測(cè)試

該 EPC 設(shè)備具有非常有趣的功能：

漏源電壓 （V DS ）（連續(xù)）：100 V

漏源電壓 （V DS ）（在 125°C 時(shí)高達(dá) 10，000 個(gè) 5 毫秒脈沖）：120 V

負(fù)載電流 （I D ）（連續(xù)）：25 A

負(fù)載電流 （I D ）（脈沖）：100 A

柵源電壓 （V GS ）：–5 V/+6 V

工作溫度 （T j ）：–40°C 至 125°C

按照上述說明導(dǎo)入模型后，您可以創(chuàng)建圖 7 的接線圖，其目的是連續(xù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。以下分析用于計(jì)算 R DS（on）值。運(yùn)行參數(shù)如下：

Vcc （V1）：80V

柵極 （V2）：5V

負(fù)載電阻 （R1）：3.2 Ω

靜態(tài)狀態(tài)下的模擬提供以下結(jié)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

電池 V1 耗散功率：1，996.4 kW

因此，效率為：

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

現(xiàn)在，讓我們計(jì)算上面指定的工作條件下的 R DS（on）：

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

圖 7：EPC2001 測(cè)試接線圖

結(jié)論

能夠在不實(shí)際使用的情況下模擬 GaN 器件是一項(xiàng)極其重要的操作，將任何電子元件導(dǎo)入您最喜歡的模擬器非常有用。由于采用了 SPICE 模型，即使是新的電子元件也可以通過極其簡(jiǎn)單和安全的方式成功測(cè)試。

審核編輯：郭婷