电源设计说明中使用GaN器件进行LTspice仿真

电子说

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描述

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)

GaN

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

GaN

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”。

GaN

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

GaN

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%

GaN

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。

GaN

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

GaN

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

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