GaN晶體管是當今存在的“最冷”組件之一。它的低結電阻即使在高溫和極端條件下也可實現低溫和低能量損耗。這是該材料廣泛用于許多關鍵領域的主要原因之一，在這些關鍵領域中，這些領域往往都需要大電流。為了進行有效的熱管理，當然在設計和結構層面上都需要使用適當的技術。

 

這些參數取決于溫度

 

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

 

提高系統性能和效率

 

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面（特別是在功率應用中）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 清楚地總結了傳熱過程。系統的各個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。從結到散熱器，熱量通過傳導發生，而從散熱器到周圍環境，則通過對流發生。

 

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上的物理安裝位置，電氣和戰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系統的熱性能差異。要使用兩個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，兩個組件上的壓力達到平衡（圖2a）。但是，我們絕不能增大GaN上散熱器的擠壓，因為這會導致機械應力的危險增加。如果必須使用更大的散熱器，則必須鉆兩個或多個孔，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。應在開關組件附近開孔，以增加對較冷表面的附著力。

 

圖2：GaN散熱器的使用

 

盡管電源電路的設計是成熟的技術，但應始終牢記法規。使用散熱器時，必須滿足有關散熱的標準以及電路上組件和走線的最小距離所規定的要求。在距離必須符合法規標準的區域，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：升高散熱器可優化空間。

 

GaN的并聯

 

為了顯著提高電路的功率，可以并聯連接多個GaN晶體管，如圖4所示。負載可能非常大，并且開關電流會大大增加。使用這些方法，即使冷卻系統也必須非常有效。不同的實驗可能有不同的散熱系統，其中包括以下測試：

 

自然對流，無散熱器

 

帶獨立散熱器的強制冷空氣

 

與普通散熱器并聯的強制冷空氣

 

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

 

圖4：并聯連接GaN晶體管會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）。它用于一般開關仿真，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。

 

該模型基于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晶體管可提供出色的結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，必須最大化項目的電氣和熱量。如果對系統進行了適當的分析和實施，它實際上可以在相對較低的溫度下處理非常高的功率。要使用的技術涉及各種參數，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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