GaN晶體管是當今存在的“最冷”組(zu)件(jian)之(zhi)一(yi)。它(ta)的(de)低(di)結(jie)電(dian)阻(zu)即(ji)使(shi)在(zai)高(gao)溫(wen)和(he)極(ji)端(duan)條(tiao)件(jian)下(xia)也(ye)可(ke)實(shi)現(xian)低(di)溫(wen)和(he)低(di)能(neng)量(liang)損(sun)耗(hao)。這(zhe)是(shi)該(gai)材(cai)料(liao)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)許(xu)多(duo)關(guan)鍵(jian)領(ling)域(yu)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)，在(zai)這(zhe)些(xie)關(guan)鍵(jian)領(ling)域(yu)中(zhong)
，這(zhe)些(xie)領(ling)域(yu)往(wang)往(wang)都(dou)需(xu)要(yao)大(da)電(dian)流(liu)。為(wei)了(le)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)的(de)熱(re)管(guan)理(li)
，當(dang)然(ran)在(zai)設(she)計(ji)和(he)結(jie)構(gou)層(ceng)麵(mian)上(shang)都(dou)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)技(ji)術(shu)。

 

這些參數取決於溫度

 

在功率GaN晶體管中，元件的兩個參數在溫度上起著重要作用：RDS(on) 具有相關的工作損耗

，跨導具有相關的開關損耗。

 

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

 

提高係統性能和效率

 

增加電路的可靠性

 

良好的散熱設計也會對功率密度的變化產生積極影響。選擇良好的基板肯定會通過減少散熱器表麵（特別是在功率應用中）減少散熱麵


，從而有助於更好地散熱。

 

切換方式

 

不同開關方法的實施不可避免地意味著設計上的差異
，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生：

 

直接接觸

 

借助空氣或水等流體

 

通過輻射
，電磁波

 

圖1 清qing楚chu地di總zong結jie了le傳chuan熱re過guo程cheng。係xi統tong的de各ge個ge組zu件jian的de行xing為wei就jiu像xiang電dian阻zu一yi樣yang
，通tong過guo電dian流liu遇yu到dao障zhang礙ai的de不bu是shi電dian流liu，而er是shi熱re量liang。從cong結jie到dao散san熱re器qi，熱re量liang通tong過guo傳chuan導dao發fa生sheng，而er從cong散san熱re器qi到dao周zhou圍wei環huan境jing
，則ze通tong過guo對dui流liu發fa生sheng。

 

圖1：熱量通過各種方式從結點傳遞到周圍環境。

 

安裝技巧

 

GaN在PCB上shang的de物wu理li安an裝zhuang位wei置zhi，電dian氣qi和he戰zhan略lve層ceng麵mian的de散san熱re程cheng度du具ju有you決jue定ding性xing的de影ying響xiang。在zai相xiang同tong的de工gong作zuo條tiao件jian下xia
，組zu件jian和he散san熱re器qi的de不bu同tong位wei置zhi決jue定ding了le整zheng個ge係xi統tong的de熱re性xing能neng差cha異yi。要yao使shi用yong兩liang個geGaN晶體管，建議使用帶有M3型螺孔中心孔的小型散熱器。這樣，兩個組件上的壓力達到平衡（圖2a）。但是
，我們絕不能增大GaN上shang散san熱re器qi的de擠ji壓ya
，因yin為wei這zhe會hui導dao致zhi機ji械xie應ying力li的de危wei險xian增zeng加jia。如ru果guo必bi須xu使shi用yong更geng大da的de散san熱re器qi，則ze必bi須xu鑽zuan兩liang個ge或huo多duo個ge孔kong
，以yi最zui大da程cheng度du地di減jian少shao安an裝zhuang支zhi架jia的de彎wan曲qu或huo扭niu曲qu（圖2b））。SMD組件是最容易彎曲的組件。應在開關組件附近開孔，以增加對較冷表麵的附著力。

 

圖2：GaN散熱器的使用

 

盡(jin)管(guan)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)是(shi)成(cheng)熟(shu)的(de)技(ji)術(shu)，但(dan)應(ying)始(shi)終(zhong)牢(lao)記(ji)法(fa)規(gui)。使(shi)用(yong)散(san)熱(re)器(qi)時(shi)
，必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)有(you)關(guan)散(san)熱(re)的(de)標(biao)準(zhun)以(yi)及(ji)電(dian)路(lu)上(shang)組(zu)件(jian)和(he)走(zou)線(xian)的(de)最(zui)小(xiao)距(ju)離(li)所(suo)規(gui)定(ding)的(de)要(yao)求(qiu)。在(zai)距(ju)離(li)必(bi)須(xu)符(fu)合(he)法(fa)規(gui)標(biao)準(zhun)的(de)區(qu)域(yu)，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)熱(re)界(jie)麵(mian)材(cai)料(liao)（TIM）覆蓋散熱器的邊緣。這是為了改善兩個部分之間的熱耦合。還要避免在GaN器件附近放置通孔組件（THC）。為了優化空間，可以使用基座來抬起散熱器
，以允許將表麵安裝（SMT）組件放置在散熱器本身的正下方（請參見圖3）。

 

圖3：升高散熱器可優化空間。

 

GaN的並聯

 

為了顯著提高電路的功率，可以並聯連接多個GaN晶體管
，如圖4所(suo)示(shi)。負(fu)載(zai)可(ke)能(neng)非(fei)常(chang)大(da)，並(bing)且(qie)開(kai)關(guan)電(dian)流(liu)會(hui)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)。使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)，即(ji)使(shi)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)也(ye)必(bi)須(xu)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)。不(bu)同(tong)的(de)實(shi)驗(yan)可(ke)能(neng)有(you)不(bu)同(tong)的(de)散(san)熱(re)係(xi)統(tong)，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)以(yi)下(xia)測(ce)試(shi)：

 

自然對流，無散熱器

 

帶獨立散熱器的強製冷空氣

 

與普通散熱器並聯的強製冷空氣

 

通過將設備的最佳特性與最佳散熱解決方案相結合，可以增加係統可以達到的最大功率。實際上，通過減小GaN晶體管之間的並聯連接的熱阻
，可以實現該結果。

 

圖4：並聯連接GaN晶體管會增加功率並降低電阻。

 

SPICE模型

 

GaN Systems提供兩種不同的SPICE模型，即L1和L3模型（見圖5）。為了在熱實現下運行
，必須使用第二個模型。然而，在這種情況下，寄生電感將更高。讓我們詳細了解兩種類型的模型之間的區別：

 

L1模型具有四個端子（G，D，S，SS）。它用於一般開關仿真，其中仿真器的處理速度是最重要的。

 

L3模型具有六個端子（G，D，S

，SS，Tc，Tj）。加上了熱模型和寄生電感模型。

 

該模型基於組件的物理特征和設備的結構。根據模擬的目的，引腳Tj可用作輸入或輸出。通過這種方式，可以執行兩種不同類型的研究：

 

用作輸入時，可以將引腳Tj設置為恒定值，以檢查特定Tj值下的E（開）/ E（關）比。

 

用作輸出時

，可以在靜態和瞬態模式下驗證引腳Tj。

 

圖5：GaN晶體管的SPICE模型

 

結論

 

GaN晶(jing)體(ti)管(guan)可(ke)提(ti)供(gong)出(chu)色(se)的(de)結(jie)果(guo)以(yi)及(ji)出(chu)色(se)的(de)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)最(zui)大(da)的(de)功(gong)率(lv)性(xing)能(neng)，甚(shen)至(zhi)以(yi)千(qian)瓦(wa)為(wei)單(dan)位(wei)，必(bi)須(xu)最(zui)大(da)化(hua)項(xiang)目(mu)的(de)電(dian)氣(qi)和(he)熱(re)量(liang)。如(ru)果(guo)對(dui)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)了(le)適(shi)當(dang)的(de)分(fen)析(xi)和(he)實(shi)施(shi)，它(ta)實(shi)際(ji)上(shang)可(ke)以(yi)在(zai)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)處(chu)理(li)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)。要(yao)使(shi)用(yong)的(de)技(ji)術(shu)涉(she)及(ji)各(ge)種(zhong)參(can)數(shu)，例(li)如(ru)散(san)熱(re)器(qi)的(de)位(wei)置(zhi)
，形(xing)狀(zhuang)和(he)高(gao)度(du)，焊(han)縫(feng)的(de)形(xing)狀(zhuang)和(he)尺(chi)寸(cun)
，GaN器件的平行度以及開關頻率。GaN晶體管的使用案例在市場上越來越多，其特點是支持更高的電壓和電流以及更低的結電阻
，以滿足高功率領域公司的所有要求和需求。

 

 

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