GaN晶體管是當(dāng)今存在的“最冷”組件之一。它的低結(jié)電阻即使在高溫和極端條件下也可實(shí)現(xiàn)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(dāng)然在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)層面上都需要使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。

 

這些參數(shù)取決于溫度

 

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

 

維持低溫的原因很多：

 

在最惡劣的工作條件下防止熱失控

 

減少能量損失

 

提高系統(tǒng)性能和效率

 

增加電路的可靠性

 

良好的散熱設(shè)計(jì)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)通過減少散熱器表面（特別是在功率應(yīng)用中）減少散熱面，從而有助于更好地散熱。

 

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

 

通過輻射，電磁波

 

圖1 清楚地總結(jié)了傳熱過程。系統(tǒng)的各個(gè)組件的行為就像電阻一樣，通過電流遇到障礙的不是電流，而是熱量。從結(jié)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，則通過對流發(fā)生。

 

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

 

安裝技巧

 

GaN在PCB上的物理安裝位置，電氣和戰(zhàn)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(tǒng)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(dá)到平衡（圖2a）。但是，我們絕不能增大GaN上散熱器的擠壓，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的危險(xiǎn)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(yīng)在開關(guān)組件附近開孔，以增加對較冷表面的附著力。

 

圖2：GaN散熱器的使用

 

盡管電源電路的設(shè)計(jì)是成熟的技術(shù)，但應(yīng)始終牢記法規(guī)。使用散熱器時(shí)，必須滿足有關(guān)散熱的標(biāo)準(zhǔn)以及電路上組件和走線的最小距離所規(guī)定的要求。在距離必須符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)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)連接多個(gè)GaN晶體管，如圖4所示。負(fù)載可能非常大，并且開關(guān)電流會(huì)大大增加。使用這些方法，即使冷卻系統(tǒng)也必須非常有效。不同的實(shí)驗(yàn)可能有不同的散熱系統(tǒng)，其中包括以下測試：

 

自然對流，無散熱器

 

帶獨(dú)立散熱器的強(qiáng)制冷空氣

 

與普通散熱器并聯(lián)的強(qiáng)制冷空氣

 

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。實(shí)際上，通過減小GaN晶體管之間的并聯(lián)連接的熱阻，可以實(shí)現(xiàn)該結(jié)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（見圖5）。為了在熱實(shí)現(xiàn)下運(yùn)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(xì)了解兩種類型的模型之間的區(qū)別：

 

L1模型具有四個(gè)端子（G，D，S，SS）。它用于一般開關(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(shè)備的結(jié)構(gòu)。根據(jù)模擬的目的，引腳Tj可用作輸入或輸出。通過這種方式，可以執(zhí)行兩種不同類型的研究：

 

用作輸入時(shí)，可以將引腳Tj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)，可以在靜態(tài)和瞬態(tài)模式下驗(yàn)證引腳Tj。

 

圖5：GaN晶體管的SPICE模型

 

結(jié)論

 

GaN晶體管可提供出色的結(jié)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(xiàng)目的電氣和熱量。如果對系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治龊蛯?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(shù)，例如散熱器的位置，形狀和高度，焊縫的形狀和尺寸，GaN器件的平行度以及開關(guān)頻率。GaN晶體管的使用案例在市場上越來越多，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。

 

 

推薦閱讀：