電源設(shè)計(jì)說明：面向高性能應(yīng)用的新型 SiC 和 GaN FET 器件分析

在本文中，我們分析了一些碳化硅和氮化鎵 FET器件的靜態(tài)和動態(tài)行為。公司正在將精力集中在這些類型的組件上，這些組件允許創(chuàng)建高效轉(zhuǎn)換器和逆變器。

建立仿真

我們將在接下來的測試和模擬中使用一些新一代 SiC 和GaN FET 器件，它們結(jié)合了新技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)。

它們可以總結(jié)如下：

· 在高溫下表現(xiàn)出色

· 低輸入容量

· 低 R DS(on)

· 出色的反向回收率

· 存在用于消除額外電壓的二極管

· ESD保護(hù)

· 用于快速切換和更清潔波的特殊封裝

正在檢查的設(shè)備，如圖 1 所示，是：

· UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET

· Transphorm 的 TP65H150G4PS GaN FET MOSFET

圖 1：使用的兩個(gè) MOSFET SiC 和 GaN FET 器件是 UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S 和 Transphorm 的 TP65H150G4PS。

第一款 UJ4SC075006K4S 器件功能非常強(qiáng)大，導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 僅為 6 mΩ 和 750 V，是 UnitedSiC 九件套 SiC FET MOSFET 系列的一部分。該組件基于“級聯(lián)”電路的獨(dú)特配置。帶 R DS(on)不到競爭對手的一半，該器件的短路耐受時(shí)間為 5 μs。樣品采用 TO-247-4L 封裝，具有四個(gè)引腳，部分采用 TO-247-3L 封裝，具有三個(gè)引腳。共源共柵技術(shù)提供了寬帶范圍技術(shù)的優(yōu)勢，例如高速、高溫運(yùn)行時(shí)的低損耗、出色的穩(wěn)定性以及集成 ESD 保護(hù)的魯棒性。對于開關(guān)應(yīng)用，集成二極管比競爭技術(shù)快得多。其應(yīng)用包括電動汽車的驅(qū)動和牽引、車載和非車載充電器、單向和雙向電源轉(zhuǎn)換器、可再生能源逆變器以及所有類型的轉(zhuǎn)換器。第二個(gè) TP65H150G4PS 器件是一個(gè) 650-V、150-mΩ GaN 樣品，是一個(gè)常關(guān)元件。它將高壓 GaN HEMT 技術(shù)與硅 MOSFET 的低壓技術(shù)相結(jié)合，提供高度可靠的運(yùn)行和卓越的性能。兩種功率器件最重要的特性如下表所示。

靜態(tài)狀態(tài)下的效率和 R DS(on)

以下仿真用于評估和檢查電源電路在靜態(tài)狀態(tài)下的效率值，并驗(yàn)證器件開啟時(shí)漏源通道的電阻。圖 2 中的圖表顯示了處于開啟狀態(tài)的兩個(gè)正在檢查的器件，后者在柵極上用 20 V 的直流電壓固定。對于 50-Ω 負(fù)載，系統(tǒng)電源為 500 V。下表顯示了測量數(shù)據(jù)：

兩個(gè)組件的 R DS(on)的計(jì)算是在器件開啟狀態(tài)期間通過執(zhí)行以下等式進(jìn)行的：

效率計(jì)算也非常簡單，用于評估系統(tǒng)中有利可圖的能源使用量，以及在未使用熱量中損失的差異：

圖2：兩種器件在靜態(tài)模式下的通態(tài)工作原理圖

動態(tài)狀態(tài)下的效率和功率損耗

動態(tài)機(jī)制是最重要的，因?yàn)樵谶@里對組件進(jìn)行了測試。由于 EMI、功率損耗、連接的任何感應(yīng)負(fù)載以及組件本身的切換，系統(tǒng)會承受很大的壓力。圖 3 顯示了 PWM 電源的一般示例，在這種情況下，其頻率約為 500 kHz。PWM 信號的產(chǎn)生是通過兩個(gè)單片 P 和 N 溝道 MOSFET 進(jìn)行的。通過具有以下特征的鐵氧體磁珠來降低某些類型的噪聲：

· 電感：0.38 μH

· 串聯(lián)電阻：0.371Ω

· 并聯(lián)電阻：1,600 Ω

· 并聯(lián)電容：0.78 pF

· 到 100 Mhz 的阻抗：266.5 Ω

· 最大限度。阻抗：1,598.1 Ω

· 最大頻率 阻抗：292兆赫

圖 3：動態(tài)狀態(tài)下兩種器件的工作原理圖

技術(shù)正在與停電作斗爭(圖 4)。組件的非理想特性在開關(guān)時(shí)刻精確地增加了它們的耗散功率。

組件的輸入和輸出容量，以及它的 R DS(on)和其他元素的存在，都會導(dǎo)致功率損耗，幸運(yùn)的是，功率損耗每天都在改善。

以下是兩個(gè)設(shè)備運(yùn)行所達(dá)到的效率：

· 碳化硅場效應(yīng)管效率：98.24%

· GaN FET效率：99.02%

這些都是極高的效率，允許積極使用幾乎所有的能量，同時(shí)保持 MOSFET 的低工作溫度。

事實(shí)上，導(dǎo)通狀態(tài)下的 V ds 值非常低，電子開關(guān)的表現(xiàn)幾乎完美。

圖 4：兩種設(shè)備的功率損耗

僅當(dāng)使用的兩個(gè)組件的相關(guān) SPICE 庫可用、可從 Internet 下載并包含以下標(biāo)頭時(shí)，才能進(jìn)行仿真：

.subckt UJ4SC075006K4S nd ng ns nss

和

.subckt TP65H150G4LSG 301 302 303

結(jié)論

設(shè)計(jì)人員應(yīng)牢記，使用功率器件進(jìn)行的電子仿真可能與實(shí)際情況大相徑庭，尤其是在系統(tǒng)包含電感和電容元件的情況下。

此外，應(yīng)該記住，功率 MOSFET 始終需要由優(yōu)秀的驅(qū)動器驅(qū)動，以確保柵極處的高驅(qū)動電流，因?yàn)殡娙菪暂斎虢M件會阻礙柵極處的清晰和立即激活。