GaN 晶體管越來越多地用于各個(gè)領(lǐng)域：汽車領(lǐng)域、電力供應(yīng)以及電流的轉(zhuǎn)換和使用。這些組件將很快取代它們各自的前身。讓我們來看看如何更好地管理不同的操作條件，包括關(guān)鍵的操作條件，以優(yōu)化電路的性能并獲得出色的冷卻效果。

GaN 晶體管是當(dāng)今存在的“最冷”組件之一。即使在高溫和極端條件下，其低結(jié)電阻也可實(shí)現(xiàn)低溫和低能量損失。這是這種材料廣泛用于許多關(guān)鍵部門的主要原因之一，其中對(duì)高電流的需求是主要特權(quán)。當(dāng)然，為了有效的熱管理，在設(shè)計(jì)和建筑層面都可以使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。

這些參數(shù)取決于溫度

在功率 GaN 晶體管中，溫度對(duì)其起重要作用的組件有兩個(gè)參數(shù)：具有相關(guān)工作損耗的R DS(on)和具有相關(guān)開關(guān)損耗的跨導(dǎo)。

保持低溫的原因有很多：

防止在最惡劣的操作條件下發(fā)生熱失控

總體上減少損失

提高系統(tǒng)性能和效率

增加電路的可靠性

良好的熱設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)功率密度的變化產(chǎn)生積極影響。選擇好的基板肯定有助于更好地散熱，因?yàn)樗梢詼p少散熱器表面，特別是對(duì)于電源應(yīng)用。

切換方式

不同開關(guān)方法的實(shí)施不可避免地意味著設(shè)計(jì)上的差異，尤其是最終性能上的差異。主要有“ZVS軟開關(guān)模式”和“硬開關(guān)模式”。熱傳遞以三種不同的方式發(fā)生：

通過傳導(dǎo)，通過直接接觸

通過對(duì)流，通過流體，例如空氣或水

通過輻射，用電磁波

圖 1 清楚地總結(jié)了傳熱過程。系統(tǒng)的各個(gè)組件就像電阻一樣，通過電阻，遇到通道中的障礙物的不是電流，而是熱量。從結(jié)點(diǎn)到散熱器，熱量通過傳導(dǎo)發(fā)生，而從散熱器到周圍環(huán)境，則通過對(duì)流發(fā)生。

圖 1：熱量通過各種方式從結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境。

組裝技術(shù)

GaN 在 PCB 上的物理安裝對(duì)位置、電氣和戰(zhàn)略層面的散熱程度具有決定性影響。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(tǒng)的熱行為差異。要使用兩個(gè) GaN 晶體管，建議使用帶有 M3 型螺絲中心孔的小型散熱器。這樣，兩個(gè)組件上的壓力就平衡了（圖 2a）。但是，我們不能夸大 GaN 上的散熱器壓碎，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力危險(xiǎn)的增加。如果必須使用更大的散熱器，則必須鉆兩個(gè)或更多孔，以盡量減少安裝支架的彎曲或扭曲（圖 2b）。SMD 元件是受彎曲影響最大的元件。孔應(yīng)靠近開關(guān)元件，以增加對(duì)較冷表面的附著力。

圖 2：使用帶有 GaN 的散熱器

雖然電源電路的設(shè)計(jì)是一門成熟的藝術(shù)，但應(yīng)始終牢記法規(guī)。對(duì)于散熱器，必須滿足有關(guān)散熱標(biāo)準(zhǔn)以及電路上元件和走線的最小距離的要求。在距離必須滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，必須使用熱界面材料 (TIM) 來覆蓋散熱器的邊緣。這是為了改善兩部分之間的熱耦合。還要避免在 GaN 器件附近放置通孔組件 (THC)。為了優(yōu)化空間，可以使用底座來升高散熱器，以便將表面貼裝 (SMT) 組件定位在散熱器本身的正下方（參見圖 3）。

圖 3：升高散熱器可優(yōu)化空間。

GaN的并聯(lián)

為了顯著提高電路的功率，可以并聯(lián)幾個(gè) GaN 晶體管，如圖 4所示。負(fù)載可以非常強(qiáng)大，開關(guān)電流可以大大提高。創(chuàng)建了一個(gè)非常有效的熱網(wǎng)絡(luò)，其中熱阻和電阻都急劇下降。使用這些方法，即使是冷卻系統(tǒng)也必須非常有效。不同的實(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致不同的散熱系統(tǒng)，其中包括以下測(cè)試：

無散熱片的自然對(duì)流

帶有獨(dú)立散熱片的強(qiáng)制冷風(fēng)

強(qiáng)制冷風(fēng)與普通散熱器并聯(lián)

通過將設(shè)備的最佳特性與最佳散熱解決方案相結(jié)合，可以增加系統(tǒng)可以達(dá)到的最大功率。事實(shí)上，通過GaN 晶體管之間的并聯(lián)連接降低熱阻，這一結(jié)果是可能的。

圖 4：并聯(lián) GaN 晶體管可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（見圖 5）。對(duì)于熱實(shí)現(xiàn)的操作，必須使用第二個(gè)模型。然而，在這種情況下，寄生電感會(huì)高得多。下面我們來詳細(xì)看看這兩種型號(hào)的區(qū)別：

L1 型號(hào)有四個(gè)端子（G、D、S、SS）。它用于模擬器處理速度處于前臺(tái)的通用開關(guān)模擬。

L3 型號(hào)有六個(gè)端子（G、D、S、SS、Tc、Tj）。添加了熱模型和寄生電感模型。

該模型基于組件的物理特性和設(shè)備的結(jié)構(gòu)。引腳 Tj 可用作輸入或輸出，具體取決于仿真目的。通過這種方式，可以進(jìn)行兩種不同類型的研究：

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

用作輸出時(shí)，引腳 Tj 可以在靜態(tài)和瞬態(tài)模式下進(jìn)行驗(yàn)證。

圖 5：GaN 晶體管的 SPICE 模型

結(jié)論

GaN 晶體管提供出色的結(jié)果和出色的熱可能性。為了實(shí)現(xiàn)最大的功率性能，即使以千瓦為單位，也必須最大限度地提高項(xiàng)目的電氣和熱質(zhì)量。如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治龊蛯?shí)施，它實(shí)際上可以在相對(duì)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(shù)，例如散熱器的位置、形狀和高度、焊縫的形狀和尺寸、GaN 器件的平行化以及開關(guān)頻率。市場(chǎng)上的 GaN 晶體管示例越來越多，其特點(diǎn)是支持更高的電壓和電流以及更低的結(jié)電阻，以滿足高功率領(lǐng)域公司的所有要求和需求。



審核編輯：劉清