电源设计说明：面向高性能应用的新型 SiC 和 GaN FET 器件分析

在本文中，我们分析了一些碳化硅和氮化镓 FET器件的静态和动态行为。公司正在将精力集中在这些类型的组件上，这些组件允许创建高效转换器和逆变器。

建立仿真

我们将在接下来的测试和模拟中使用一些新一代 SiC 和GaN FET 器件，它们结合了新技术的许多优点。

它们可以总结如下：

· 在高温下表现出色

· 低输入容量

· 低 R DS(on)

· 出色的反向回收率

· 存在用于消除额外电压的二极管

· ESD保护

· 用于快速切换和更清洁波的特殊封装

正在检查的设备，如图 1 所示，是：

· UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET

· Transphorm 的 TP65H150G4PS GaN FET MOSFET

图 1：使用的两个 MOSFET SiC 和 GaN FET 器件是 UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S 和 Transphorm 的 TP65H150G4PS。

第一款 UJ4SC075006K4S 器件功能非常强大，导通电阻 (R DS(on) ) 仅为 6 mΩ 和 750 V，是 UnitedSiC 九件套 SiC FET MOSFET 系列的一部分。该组件基于“级联”电路的独特配置。带 R DS(on)不到竞争对手的一半，该器件的短路耐受时间为 5 µs。样品采用 TO-247-4L 封装，具有四个引脚，部分采用 TO-247-3L 封装，具有三个引脚。共源共栅技术提供了宽带范围技术的优势，例如高速、高温运行时的低损耗、出色的稳定性以及集成 ESD 保护的鲁棒性。对于开关应用，集成二极管比竞争技术快得多。其应用包括电动汽车的驱动和牵引、车载和非车载充电器、单向和双向电源转换器、可再生能源逆变器以及所有类型的转换器。第二个 TP65H150G4PS 器件是一个 650-V、150-mΩ GaN 样品，是一个常关元件。它将高压 GaN HEMT 技术与硅 MOSFET 的低压技术相结合，提供高度可靠的运行和卓越的性能。两种功率器件最重要的特性如下表所示。

静态状态下的效率和 R DS(on)

以下仿真用于评估和检查电源电路在静态状态下的效率值，并验证器件开启时漏源通道的电阻。图 2 中的图表显示了处于开启状态的两个正在检查的器件，后者在栅极上用 20 V 的直流电压固定。对于 50-Ω 负载，系统电源为 500 V。下表显示了测量数据：

两个组件的 R DS(on)的计算是在器件开启状态期间通过执行以下等式进行的：

效率计算也非常简单，用于评估系统中有利可图的能源使用量，以及在未使用热量中损失的差异：

图2：两种器件在静态模式下的通态工作原理图

动态状态下的效率和功率损耗

动态机制是最重要的，因为在这里对组件进行了测试。由于 EMI、功率损耗、连接的任何感应负载以及组件本身的切换，系统会承受很大的压力。图 3 显示了 PWM 电源的一般示例，在这种情况下，其频率约为 500 kHz。PWM 信号的产生是通过两个单片 P 和 N 沟道 MOSFET 进行的。通过具有以下特征的铁氧体磁珠来降低某些类型的噪声：

· 电感：0.38 µH

· 串联电阻：0.371Ω

· 并联电阻：1,600 Ω

· 并联电容：0.78 pF

· 到 100 Mhz 的阻抗：266.5 Ω

· 最大限度。阻抗：1,598.1 Ω

· 最大频率 阻抗：292兆赫

图 3：动态状态下两种器件的工作原理图

技术正在与停电作斗争(图 4)。组件的非理想特性在开关时刻精确地增加了它们的耗散功率。

组件的输入和输出容量，以及它的 R DS(on)和其他元素的存在，都会导致功率损耗，幸运的是，功率损耗每天都在改善。

以下是两个设备运行所达到的效率：

· 碳化硅场效应管效率：98.24%

· GaN FET效率：99.02%

这些都是极高的效率，允许积极使用几乎所有的能量，同时保持 MOSFET 的低工作温度。

事实上，导通状态下的 V ds 值非常低，电子开关的表现几乎完美。

图 4：两种设备的功率损耗

仅当使用的两个组件的相关 SPICE 库可用、可从 Internet 下载并包含以下标头时，才能进行仿真：

.subckt UJ4SC075006K4S nd ng ns nss

和

.subckt TP65H150G4LSG 301 302 303

结论

设计人员应牢记，使用功率器件进行的电子仿真可能与实际情况大相径庭，尤其是在系统包含电感和电容元件的情况下。

此外，应该记住，功率 MOSFET 始终需要由优秀的驱动器驱动，以确保栅极处的高驱动电流，因为电容性输入组件会阻碍栅极处的清晰和立即激活。