電源設(shè)計(jì)說(shuō)明：分析用于高性能應(yīng)用的新型 SiC 和 GaN FET 器件

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(dòng)態(tài)行為。公司正將精力集中在這些類型的組件上，以創(chuàng)建高效轉(zhuǎn)換器和逆變器。

UnitedSiC的UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET 和 Transphorm的TP65H150G4PS GaN FET MOSFET 用于仿真

我們將在隨后的測(cè)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：

· 在高溫下具有出色的功能

· 輸入容量低

· 低RDS(on)

· 出色的反向恢復(fù)

· 存在用于消除額外電壓的二極管

· 靜電防護(hù)

· 用于快速切換和清潔波的特殊封裝

如圖 1 所示，正在檢查的設(shè)備是：

· UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET

· Transphorm 的 TP65H150G4PS GaN FET MOSFET

第一款 UJ4SC075006K4S 器件非常強(qiáng)大，導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 僅為 6 mΩ 和 750 V，是 UnitedSiC 的 9 件式 SiC FET MOSFET 系列的一部分。該組件基于“級(jí)聯(lián)”電路的獨(dú)特配置。帶有 R DS(on)該器件的短路耐受時(shí)間不到競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一半，短路耐受時(shí)間為 5 μs。這些樣品采用 TO-247-4L 封裝，四引腳，部分樣品采用 TO-247-3L 封裝，三引腳。級(jí)聯(lián)技術(shù)具有寬帶范圍技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，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)的穩(wěn)健性。對(duì)于開(kāi)關(guān)應(yīng)用，集成二極管比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)快得多。其應(yīng)用包括電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)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) 650V、150mΩ GaN 樣本，是一個(gè)常閉組件。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。

靜態(tài)狀態(tài)下的效率和 R DS(on)

以下仿真用于評(píng)估和檢查靜態(tài)狀態(tài)下電源電路的效率值，并驗(yàn)證器件開(kāi)啟時(shí)漏源溝道的電阻。顯示了處于開(kāi)啟狀態(tài)的兩個(gè)正在檢查的設(shè)備，后者在柵極上使用 20 V 的直流電壓固定。對(duì)于 50Ω 負(fù)載，系統(tǒng)電源為 500V。

兩個(gè)組件的 R DS(on)的計(jì)算是在器件處于開(kāi)啟狀態(tài)期間通過(guò)執(zhí)行以下等式進(jìn)行的：效率計(jì)算也非常簡(jiǎn)單，用于評(píng)估系統(tǒng)中有利可圖的能源使用量，以及未使用熱量中損失的能源量：

動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的效率和功率損耗

動(dòng)態(tài)機(jī)制是最重要的，因?yàn)樵谶@里對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試。由于 EMI、功率損耗、連接的任何電感負(fù)載以及組件本身的切換，系統(tǒng)會(huì)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(hào)的生成是通過(guò)兩個(gè)單片 P 溝道和 N 溝道 MOSFET 進(jìn)行的。某些類型的噪聲的減少是通過(guò)具有以下特征的鐵氧體磁珠實(shí)現(xiàn)的：

· 電感：0.38μH

· 串聯(lián)電阻：0.371 Ω

· 并聯(lián)電阻：1,600 Ω

· 并聯(lián)電容：0.78 pF

· 100 Mhz 阻抗：266.5 Ω

· 最大限度。阻抗：1,598.1 Ω

· 最大頻率 阻抗：292 兆赫

技術(shù)正在與停電作斗爭(zhēng)。元件的非理想特性恰好在開(kāi)關(guān)時(shí)刻增加了它們的耗散功率。

組件的輸入和輸出容量及其 R DS(on)和其他元素的存在會(huì)導(dǎo)致功率損耗，幸運(yùn)的是，功率損耗正在日益改善。

以下是兩種器件運(yùn)行所達(dá)到的效率：

· SiC FET 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 的工作溫度較低。

事實(shí)上，導(dǎo)通狀態(tài)下的 V ds 值非常低，電子開(kāi)關(guān)的行為幾乎完美。

只有在所使用的兩個(gè)組件的相關(guān) SPICE 庫(kù)可用、可從 Internet 上下載并包含以下標(biāo)頭的情況下，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)記住，功率器件的電子仿真可能與實(shí)際情況有很大差異，尤其是當(dāng)系統(tǒng)包含電感和電容元件時(shí)。

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