电源设计说明：分析用于高性能应用的新型 SiC 和 GaN FET 器件

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。公司正将精力集中在这些类型的组件上，以创建高效转换器和逆变器。

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

我们将在随后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：

· 在高温下具有出色的功能

· 输入容量低

· 低RDS(on)

· 出色的反向恢复

· 存在用于消除额外电压的二极管

· 静电防护

· 用于快速切换和清洁波的特殊封装

如图 1 所示，正在检查的设备是：

· UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET

· Transphorm 的 TP65H150G4PS GaN FET MOSFET

第一款 UJ4SC075006K4S 器件非常强大，导通电阻 (R DS(on) ) 仅为 6 mΩ 和 750 V，是 UnitedSiC 的 9 件式 SiC FET MOSFET 系列的一部分。该组件基于“级联”电路的独特配置。带有 R DS(on)该器件的短路耐受时间不到竞争对手的一半，短路耐受时间为 5 µs。这些样品采用 TO-247-4L 封装，四引脚，部分样品采用 TO-247-3L 封装，三引脚。级联技术具有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 保护的稳健性。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 650V、150mΩ GaN 样本，是一个常闭组件。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。

静态状态下的效率和 R DS(on)

以下仿真用于评估和检查静态状态下电源电路的效率值，并验证器件开启时漏源沟道的电阻。显示了处于开启状态的两个正在检查的设备，后者在栅极上使用 20 V 的直流电压固定。对于 50Ω 负载，系统电源为 500V。

两个组件的 R DS(on)的计算是在器件处于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，以及未使用热量中损失的能源量：

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测试。由于 EMI、功率损耗、连接的任何电感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 信号的生成是通过两个单片 P 沟道和 N 沟道 MOSFET 进行的。某些类型的噪声的减少是通过具有以下特征的铁氧体磁珠实现的：

· 电感：0.38µH

· 串联电阻：0.371 Ω

· 并联电阻：1,600 Ω

· 并联电容：0.78 pF

· 100 Mhz 阻抗：266.5 Ω

· 最大限度。阻抗：1,598.1 Ω

· 最大频率 阻抗：292 兆赫

技术正在与停电作斗争。元件的非理想特性恰好在开关时刻增加了它们的耗散功率。

组件的输入和输出容量及其 R DS(on)和其他元素的存在会导致功率损耗，幸运的是，功率损耗正在日益改善。

以下是两种器件运行所达到的效率：

· SiC FET 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 的工作温度较低。

事实上，导通状态下的 V ds 值非常低，电子开关的行为几乎完美。

只有在所使用的两个组件的相关 SPICE 库可用、可从 Internet 上下载并包含以下标头的情况下，才能进行仿真：

.subckt UJ4SC075006K4S nd ng ns nss

和

.subckt TP65H150G4LSG 301 302 303

结论

设计人员应记住，功率器件的电子仿真可能与实际情况有很大差异，尤其是当系统包含电感和电容元件时。

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。