GaN 晶體管越來越多地用于各個領域：汽車領域、電力供應以及電流的轉換和使用。這些組件將很快取代它們各自的前身。讓我們來看看如何更好地管理不同的操作條件，包括關鍵的操作條件，以優化電路的性能并獲得出色的冷卻效果。

GaN 晶體管是當今存在的“最冷”組件之一。即使在高溫和極端條件下，其低結電阻也可實現低溫和低能量損失。這是這種材料廣泛用于許多關鍵部門的主要原因之一，其中對高電流的需求是主要特權。當然，為了有效的熱管理，在設計和建筑層面都可以使用適當的技術。

這些參數取決于溫度

在功率 GaN 晶體管中，溫度對其起重要作用的組件有兩個參數：具有相關工作損耗的R DS(on)和具有相關開關損耗的跨導。

保持低溫的原因有很多：

防止在最惡劣的操作條件下發生熱失控

總體上減少損失

提高系統性能和效率

增加電路的可靠性

良好的熱設計也會對功率密度的變化產生積極影響。選擇好的基板肯定有助于更好地散熱，因為它可以減少散熱器表面，特別是對于電源應用。

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。主要有“ZVS軟開關模式”和“硬開關模式”。熱傳遞以三種不同的方式發生：

通過傳導，通過直接接觸

通過對流，通過流體，例如空氣或水

通過輻射，用電磁波

圖 1 清楚地總結了傳熱過程。系統的各個組件就像電阻一樣，通過電阻，遇到通道中的障礙物的不是電流，而是熱量。從結點到散熱器，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轉移到周圍環境。

組裝技術

GaN 在 PCB 上的物理安裝對位置、電氣和戰略層面的散熱程度具有決定性影響。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行為差異。要使用兩個 GaN 晶體管，建議使用帶有 M3 型螺絲中心孔的小型散熱器。這樣，兩個組件上的壓力就平衡了（圖 2a）。但是，我們不能夸大 GaN 上的散熱器壓碎，因為它會導致機械應力危險的增加。如果必須使用更大的散熱器，則必須鉆兩個或更多孔，以盡量減少安裝支架的彎曲或扭曲（圖 2b）。SMD 元件是受彎曲影響最大的元件。孔應靠近開關元件，以增加對較冷表面的附著力。

圖 2：使用帶有 GaN 的散熱器

雖然電源電路的設計是一門成熟的藝術，但應始終牢記法規。對于散熱器，必須滿足有關散熱標準以及電路上元件和走線的最小距離的要求。在距離必須滿足監管標準的區域，必須使用熱界面材料 (TIM) 來覆蓋散熱器的邊緣。這是為了改善兩部分之間的熱耦合。還要避免在 GaN 器件附近放置通孔組件 (THC)。為了優化空間，可以使用底座來升高散熱器，以便將表面貼裝 (SMT) 組件定位在散熱器本身的正下方（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，可以并聯幾個 GaN 晶體管，如圖 4所示。負載可以非常強大，開關電流可以大大提高。創建了一個非常有效的熱網絡，其中熱阻和電阻都急劇下降。使用這些方法，即使是冷卻系統也必須非常有效。不同的實驗會導致不同的散熱系統，其中包括以下測試：

無散熱片的自然對流

帶有獨立散熱片的強制冷風

強制冷風與普通散熱器并聯

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。事實上，通過GaN 晶體管之間的并聯連接降低熱阻，這一結果是可能的。

圖 4：并聯 GaN 晶體管可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）。對于熱實現的操作，必須使用第二個模型。然而，在這種情況下，寄生電感會高得多。下面我們來詳細看看這兩種型號的區別：

L1 型號有四個端子（G、D、S、SS）。它用于模擬器處理速度處于前臺的通用開關模擬。

L3 型號有六個端子（G、D、S、SS、Tc、Tj）。添加了熱模型和寄生電感模型。

該模型基于組件的物理特性和設備的結構。引腳 Tj 可用作輸入或輸出，具體取決于仿真目的。通過這種方式，可以進行兩種不同類型的研究：

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

用作輸出時，引腳 Tj 可以在靜態和瞬態模式下進行驗證。

圖 5：GaN 晶體管的 SPICE 模型

結論

GaN 晶體管提供出色的結果和出色的熱可能性。為了實現最大的功率性能，即使以千瓦為單位，也必須最大限度地提高項目的電氣和熱質量。如果對系統進行適當的分析和實施，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 器件的平行化以及開關頻率。市場上的 GaN 晶體管示例越來越多，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。



審核編輯：劉清