電源設(shè)計(jì)中的模擬GaN晶體管

GaN 晶體管是新電源應(yīng)用的理想選擇。它們具有小尺寸、非常高的運(yùn)行速度并且非常高效。它們可用于輕松構(gòu)建任何電力項(xiàng)目。在本教程中，我們將使用 EPC 的 GaN EPC2032 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

EPC2032的特點(diǎn)

EPC2032 eGaN 以帶有焊接突起的形式提供（見(jiàn)圖1）。它的尺寸非常小。以下是它的一些值得注意的功能：

Rds（開(kāi)）：4 毫歐（0.004 歐）；

Id（最大）：48 A；

漏源電壓（Vds）：100 V；

電壓：6 V；

結(jié)工作溫度（Tj）：從-40°C到+150°C；

非常高的開(kāi)關(guān)頻率；

尺寸為 4.6 x 2.6 毫米；

熱阻：0.45°C/W。

圖 1 EPC2032 GaN

Rds（on） 和效率的模擬

我們可以首先分析飽和狀態(tài)下 Rds （on） 的測(cè)量值，從而分析功率器件的靜態(tài)效率。應(yīng)用示意圖見(jiàn)圖2。

圖2：GaN靜態(tài)測(cè)試接線圖

電路的靜態(tài)工作值如下：

電壓：100 伏；

負(fù)載電阻：5歐姆；

Vg：6V；

通過(guò)負(fù)載的電流：19.98 A；

Rds （on） 值為 EPC2032：0.00285307 Ohm （2.8 mOhm）。在電路的工作條件下，仿真計(jì)算了器件的靜態(tài)電阻值，確認(rèn)了官方數(shù)據(jù)表上的一般特性。

我們獲得了 EPC2032 的效率值：99.935%。

在這些條件下，即使 20 安培的電流穿過(guò)漏源結(jié)，GaN 在工作時(shí)也幾乎保持低溫。事實(shí)上，耗散等于 EPC2032：1.29 瓦。

有趣的是，當(dāng)任何類型的負(fù)載應(yīng)用于電路輸出時(shí)，靜態(tài)效率都非常高。效率百分比非常高，分析了 1 歐姆和 101 歐姆之間的歐姆電阻。電阻值的掃描可以通過(guò) SPICE 指令進(jìn)行：

.step 參數(shù)負(fù)載 1 101 2

RDS（on） 對(duì)溫度的依賴性

不幸的是，溫度總是會(huì)影響任何電子元件。隨著溫度的變化，GaN 也會(huì)受到操作條件的影響。幸運(yùn)的是，所檢查的 GaN 模型最大限度地減少了這些變化。仿真提供了 -55° C 和 +150° C 之間溫度的觀察結(jié)果。雖然 DS 結(jié)的電阻值在所有工作條件下都不相同，但電路的效率始終非常高，大于 99.7 %在所有情況下。

圖 3：Rds（on） 作為溫度的函數(shù)

EPC2032 MOSFET 的 Ids 與 Vds

一個(gè)非常有趣的模擬功能突出了在柵極的不同極化下，漏極電流與 Vds 電壓相關(guān)的趨勢(shì)。Mosfet 的行為隨結(jié)溫變化極大。以下示例提供了一個(gè)典型電路，例如上面檢查的電路，其中以下靜態(tài)參數(shù)有所不同：

MOSFET：EPC2032

Vds：從 0 V 到 3 V 連續(xù)；

Vg：從 2 V 到 6 V，步長(zhǎng)為 1 V；

結(jié)溫：25 V 和 150 V。

請(qǐng)記住，要改變 Vds，可以使電源電壓 V1 多樣化或修改負(fù)載 R1 的電阻值。由于我們正在以 1 V 的步長(zhǎng)檢查柵極電壓 Vgs，因此我們將在圖中觀察到的曲線指的是等于 2 V、3 V、4 V、5 V 和 6 V 的五個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓。 SPICE 指令來(lái)自在仿真軟件中設(shè)置，因此提供電壓發(fā)生器 V1 和 V2 的掃描，如下所示：

.dc V1 0 100 1 v2 2 6 1

此外，還必須提供以下 SPICE 指令來(lái)設(shè)置系統(tǒng)溫度，分別為 25°C 和 150°C：

.temp 25

或者

.temp 150

通過(guò)執(zhí)行直流仿真，軟件生成如圖4所示的圖形。

圖表非常清晰，表達(dá)了一個(gè)基本概念：組件在較低溫度下工作得更好。25°C 的結(jié)溫可實(shí)現(xiàn)出色的性能和非常高的效率。在 150 °C 的極限溫度下，傳輸中的電流會(huì)急劇降低，幾乎將其值減半，即使柵極上的電壓值不同。

圖 4：EPC2032 GaN MOSFET 的特性曲線

結(jié)論

要使用 GaN，強(qiáng)烈建議查閱官方數(shù)據(jù)表，以避免超出制造商施加的限制并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最大性能?？梢赃M(jìn)行其他模擬示例，例如通過(guò)修改“柵極”電壓來(lái)控制和測(cè)量“漏極”電流，或電路效率隨溫度的變化。無(wú)論如何，必須考慮到，如今，GaN 是極其快速、堅(jiān)固且功能強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)器件，未來(lái)它們將能夠制造性能越來(lái)越高的汽車和轉(zhuǎn)換器。

審核編輯：郭婷