电源设计中尝试使用GaN晶体管

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。

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。

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。

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