GaN晶體管是當今存在的“最冷”組件之一。它的低結電阻即使在高溫和極端條件下也可實(shí)現低溫和低能量損耗。這是該材料廣泛用于許多關(guān)鍵領(lǐng)域的主要原因之一，在這些關(guān)鍵領(lǐng)域中，這些領(lǐng)域往往都需要大電流。為了進(jìn)行有效的熱管理，當然在設計和結構層面上都需要使用適當的技術(shù)。

 

這些參數取決于溫度

 

在功率GaN晶體管中，元件的兩個(gè)參數在溫度上起著(zhù)重要作用：RDS(on) 具有相關(guān)的工作損耗，跨導具有相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗。

 

維持低溫的原因很多：

 

在最?lèi)毫拥墓ぷ鳁l件下防止熱失控

 

減少能量損失

 

提高系統性能和效率

 

增加電路的可靠性

 

良好的散熱設計也會(huì )對功率密度的變化產(chǎn)生積極影響。選擇良好的基板肯定會(huì )通過(guò)減少散熱器表面（特別是在功率應用中）減少散熱面，從而有助于更好地散熱。

 

切換方式

 

不同開(kāi)關(guān)方法的實(shí)施不可避免地意味著(zhù)設計上的差異，尤其是最終性能上的差異。主要的是“ ZVS軟切換模式”和“硬切換模式”。傳熱以三種不同方式發(fā)生：

 

直接接觸

 

借助空氣或水等流體

 

通過(guò)輻射，電磁波

 

圖1 清楚地總結了傳熱過(guò)程。系統的各個(gè)組件的行為就像電阻一樣，通過(guò)電流遇到障礙的不是電流，而是熱量。從結到散熱器，熱量通過(guò)傳導發(fā)生，而從散熱器到周?chē)h(huán)境，則通過(guò)對流發(fā)生。

 

圖1：熱量通過(guò)各種方式從結點(diǎn)傳遞到周?chē)h(huán)境。

 

安裝技巧

 

GaN在PCB上的物理安裝位置，電氣和戰略層面的散熱程度具有決定性的影響。在相同的工作條件下，組件和散熱器的不同位置決定了整個(gè)系統的熱性能差異。要使用兩個(gè)GaN晶體管，建議使用帶有M3型螺孔中心孔的小型散熱器。這樣，兩個(gè)組件上的壓力達到平衡（圖2a）。但是，我們絕不能增大GaN上散熱器的擠壓，因為這會(huì )導致機械應力的危險增加。如果必須使用更大的散熱器，則必須鉆兩個(gè)或多個(gè)孔，以最大程度地減少安裝支架的彎曲或扭曲（圖2b））。SMD組件是最容易彎曲的組件。應在開(kāi)關(guān)組件附近開(kāi)孔，以增加對較冷表面的附著(zhù)力。

 

圖2：GaN散熱器的使用

 

盡管電源電路的設計是成熟的技術(shù)，但應始終牢記法規。使用散熱器時(shí)，必須滿(mǎn)足有關(guān)散熱的標準以及電路上組件和走線(xiàn)的最小距離所規定的要求。在距離必須符合法規標準的區域，必須使用熱界面材料（TIM）覆蓋散熱器的邊緣。這是為了改善兩個(gè)部分之間的熱耦合。還要避免在GaN器件附近放置通孔組件（THC）。為了優(yōu)化空間，可以使用基座來(lái)抬起散熱器，以允許將表面安裝（SMT）組件放置在散熱器本身的正下方（請參見(jiàn)圖3）。

 

圖3：升高散熱器可優(yōu)化空間。

 

GaN的并聯(lián)

 

為了顯著(zhù)提高電路的功率，可以并聯(lián)連接多個(gè)GaN晶體管，如圖4所示。負載可能非常大，并且開(kāi)關(guān)電流會(huì )大大增加。使用這些方法，即使冷卻系統也必須非常有效。不同的實(shí)驗可能有不同的散熱系統，其中包括以下測試：

 

自然對流，無(wú)散熱器

 

帶獨立散熱器的強制冷空氣

 

與普通散熱器并聯(lián)的強制冷空氣

 

通過(guò)將設備的最佳特性與最佳散熱解決方案相結合，可以增加系統可以達到的最大功率。實(shí)際上，通過(guò)減小GaN晶體管之間的并聯(lián)連接的熱阻，可以實(shí)現該結果。

 

圖4：并聯(lián)連接GaN晶體管會(huì )增加功率并降低電阻。

 

SPICE模型

 

GaN Systems提供兩種不同的SPICE模型，即L1和L3模型（見(jiàn)圖5）。為了在熱實(shí)現下運行，必須使用第二個(gè)模型。然而，在這種情況下，寄生電感將更高。讓我們詳細了解兩種類(lèi)型的模型之間的區別：

 

L1模型具有四個(gè)端子（G，D，S，SS）。它用于一般開(kāi)關(guān)仿真，其中仿真器的處理速度是最重要的。

 

L3模型具有六個(gè)端子（G，D，S，SS，Tc，Tj）。加上了熱模型和寄生電感模型。

 

該模型基于組件的物理特征和設備的結構。根據模擬的目的，引腳Tj可用作輸入或輸出。通過(guò)這種方式，可以執行兩種不同類(lèi)型的研究：

 

用作輸入時(shí)，可以將引腳Tj設置為恒定值，以檢查特定Tj值下的E（開(kāi)）/ E（關(guān)）比。

 

用作輸出時(shí)，可以在靜態(tài)和瞬態(tài)模式下驗證引腳Tj。

 

圖5：GaN晶體管的SPICE模型

 

結論

 

GaN晶體管可提供出色的結果以及出色的散熱性能。為了獲得最大的功率性能，甚至以千瓦為單位，必須最大化項目的電氣和熱量。如果對系統進(jìn)行了適當的分析和實(shí)施，它實(shí)際上可以在相對較低的溫度下處理非常高的功率。要使用的技術(shù)涉及各種參數，例如散熱器的位置，形狀和高度，焊縫的形狀和尺寸，GaN器件的平行度以及開(kāi)關(guān)頻率。GaN晶體管的使用案例在市場(chǎng)上越來(lái)越多，其特點(diǎn)是支持更高的電壓和電流以及更低的結電阻，以滿(mǎn)足高功率領(lǐng)域公司的所有要求和需求。

 

 

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