电源设计说明中使用GaN器件进行LTspice仿真

多年来，技术进步使得从功率器件获得高级性能成为可能。氮化镓（gan）不同于硅（si）。它是一种类似于晶体的材料，能够传导更高的电压。与硅元件相比，电流可以更容易地通过元件，从而提高效率并减少产生的热量。即使使用这种新型材料，最好的电子仿真程序也正在丰富其用于功率器件的这些组件的库。本文解释了如何通过ltspice程序导入和使用 gan 组件库来执行任何类型的电子仿真。
氮化镓的优势
gan 技术优于硅，可实现更高效的功率转换。gan 的使用不仅会影响功率晶体管，还会影响整个系统和成本。使用 gan，电源和转换器体积缩小 4 倍，重量减轻 4 倍，效率提高 4 倍。使用 gan mosfet 的推荐“栅极”电压为 6 v/0 v，适用于高达 1，500 w 的系统。一些项目还提供使用 +6 v/–3 v 电压激活器件的可能性较小对电路的干扰。在任何情况下，最大栅极电压为 7 v，即使通过 +10 v/–20 v 驱动组件不会烧毁。
使用 gan systems 的功率晶体管进行首次测试
我们第一次测试使用的模型是 gan systems gs61008p，如图 1 所示。它的特点是：
100v 功率晶体管
底部的冷却配置
［r ds（on）：7毫欧
i ds（最大）：90 a
低电感 ganpx 容器
“栅极”电压从 0 v 到 6 v
非常高的开关频率（》10 mhz）
快速且可控的上升和下降时间
反向电流能力
反向恢复零损耗
减少了 7.6 × 4.6 的 pcb 占用空间
用于优化栅极驱动的源极检测引脚
符合 rohs 3 （6 + 4）
图 1：gan systems 的 gs61008p gan 晶体管
制造商提供的库
各大电子元器件厂商都深知产品随附的spice模型非常有价值。事实上，它们允许对各种设备进行完美模拟，并且由于它们是由同一家公司创建的，因此可以肯定所讨论的组件在其所有配置中都能完美运行。因此，在您自己的电子模拟器中使用 spice 模型现在是一个强制性步骤。现在让我们看看成功使用来自 gan systems 的 gan gs61008p 晶体管的 spice 库的各个步骤。从图 2 中可以看出，晶体管数据表（以及其他组件）通常包括几个项目。检查是否存在“spice 模型”或类似的模型。它允许下载包含多个文档的压缩档案。在这个特定的 zip 中，
.asy：这些文件包含单个电子元件的设计。
.lib：这是包含组件 spice 指令的实际库。
.pdf：pdf 文档包含一些关于将组件与模拟程序一起使用的建议。它不是设备的数据表。
特别是，我们测试感兴趣的文件如下：
gan_ltspice_gs61008p_l1v4p1.asy
gan_ltspice_gs61008p_l1v4p1.lib
spice 模型用户指南_190729.pdf
图 2：gs61008p gan 页面
ltspice 上的符号
对于此示例，我们很幸运拥有由同一组件制造商创建的 gan 晶体管的电气符号。使用ltspice程序，我们可以打开文档gan_ltspice_gs61008p_l1v4p1.asy观察其特性，如图3所示。符号很简单，可以看到组件的一些连接的存在，允许与外界连接。它们是门——必须包含与 spice 模型中相同名称的元素。如果没有，则需要在库或符号本身中重命名它们。如果接线图需要，还可以使用线、圆和文本工具用更多图形元素丰富符号。文档的扩展名，让我们记住这里，是“.asy”。
图 3：有问题的 gan 的电气符号，由同一组件制造商创建
开关速度测试
必须将前两个文件（.asy 和 .lib）与应用程序接线图（扩展名为 .asc）一起复制到工作文件夹中。如果库、符号和设备具有相同的名称，则不需要使用“.include”指令。可以在图 4 中看到的测试电路图执行晶体管的有效开关速度测试。在图中，可以观察到以下操作特性，这些值完全落在相关组件的“绝对最大额定值”范围内：
电源电压：48 vdc （v2）
栅极电压：6 vdc 脉动
负载：5-ω 功率电阻
图4：gs61008p测试接线图
瞬态仿真的执行涉及晶体管在 10 khz 的换向，产生了图 5 中可观察到的两个波形图。在图中，我们可以观察到两个信号，方波：
红色图（v_gate），代表元件“门”上0 v/6 v的方波脉动电压
蓝色图（i_r2），代表传输中的电流
如您所见，对于 10 khz 的频率，两个信号完全同步且彼此同相。在这些工作条件下，电路效率为 99.8%。频率的增加显然会大大降低效率。下表显示了 10 khz 和 5 mhz 之间某些频率的值：
10，000 赫兹：99.88%
20，000 赫兹：99.86%
30，000 赫兹：99.84%
40，000 赫兹：99.82%
50，000 赫兹：99.80%
60，000 赫兹：99.77%
70，000 赫兹：99.75%
80，000 赫兹：99.73%
90，000 赫兹：99.71%
100，000 赫兹：99.69%
200，000 赫兹：99.48%
500，000 赫兹：98.90%
1，000，000 赫兹：98.06%
2，000，000 赫兹：96.69%
5，000，000 赫兹：96.13%
图 5：负载上的栅极电压和电流的开关图
随着开关频率的增加，输出端的信号开始发生自然失真。无论如何，本文中介绍的设备是市场上速度最快的设备之一，初始特性证明了这一点。图 6 显示了四个 fft 图，用于检查负载上的输出电流失真，频率为 10 khz、100 khz、1 mhz 和 2.5 mhz。
图 6：10 khz、100 khz、1 mhz 和 2.5 mhz 频率下负载电流的 fft 图
使用 epc 的 egan fet epc2001 进行第二次测试
该 epc 设备具有非常有趣的功能：
漏源电压（v ds ）（连续）：100 v
漏源电压（v ds ）（在 125°c 时高达 10，000 个 5 毫秒脉冲）：120 v
负载电流（i d ）（连续）：25 a
负载电流（i d ）（脉冲）：100 a
栅源电压（v gs ）：–5 v/+6 v
工作温度（t j ）：–40°c 至 125°c
按照上述说明导入模型后，您可以创建图 7 的接线图，其目的是连续驱动负载。以下分析用于计算 r ds（on）值。运行参数如下：
vcc （v1）：80v
栅极（v2）：5v
负载电阻（r1）：3.2 ω
静态状态下的模拟提供以下结果：
v ds ： 142.99 mv
i （r1）：24，955 a
mosfet 的功耗：3.5724 w
r1 消耗的功率：1，992.9 kw
电池 v1 耗散功率：1，996.4 kw
因此，效率为：
（ v （r1） × i （r1）） / （ v （v1） × i （v1）） × 100 = 1.9929 / 1.9964 × 100 = 99.82%
现在，让我们计算上面指定的工作条件下的 r ds（on）：
r = v / i = v ds / i （r1） = 0.143 / 24.955 = 0.0057 ω = 5.7 mω
图 7：epc2001 测试接线图
结论
能够在不实际使用的情况下模拟 gan 器件是一项极其重要的操作，将任何电子元件导入您最喜欢的模拟器非常有用。由于采用了 spice 模型，即使是新的电子元件也可以通过极其简单和安全的方式成功测试。