在本文中，我們分析了一些碳化硅和氮化鎵 FET器件的靜態和動態行為。公司正在將精力集中在這些類型的組件上，這些組件允許創建高效轉換器和逆變器。本文是上一篇文章的后續，可以在這里找到。

UnitedSiC的UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET 和 Transphorm的TP65H150G4PS GaN FET MOSFET 用于仿真

我們將在接下來的測試和模擬中使用一些新一代 SiC 和GaN FET?器件，它們結合了新技術的許多優點。

它們可以總結如下：

在高溫下表現出色

低輸入容量

低 R DS(on)

出色的反向回收率

存在用于消除額外電壓的二極管

ESD保護

用于快速切換和更清潔波的特殊封裝

正在檢查的設備，如圖 1 所示，是：

UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S SiC FET MOSFET

Transphorm 的 TP65H150G4PS GaN FET MOSFET

圖 1：使用的兩個 MOSFET SiC 和 GaN FET 器件是 UnitedSiC 的 UJ4SC075006K4S 和 Transphorm 的 TP65H150G4PS。

第一款 UJ4SC075006K4S 器件功能非常強大，導通電阻 (R DS(on) ) 僅為 6 mΩ 和 750 V，是 UnitedSiC 九件套 SiC FET MOSFET 系列的一部分。該組件基于“級聯”電路的獨特配置。帶 R DS(on)不到競爭對手的一半，該器件的短路耐受時間為 5 μs。樣品采用 TO-247-4L 封裝，具有四個引腳，部分采用 TO-247-3L 封裝，具有三個引腳。共源共柵技術提供了寬帶范圍技術的優勢，例如高速、高溫運行時的低損耗、出色的穩定性以及集成 ESD 保護的魯棒性。對于開關應用，集成二極管比競爭技術快得多。其應用包括電動汽車的驅動和牽引、車載和非車載充電器、單向和雙向電源轉換器、可再生能源逆變器以及所有類型的轉換器。第二個 TP65H150G4PS 器件是一個 650-V、150-mΩ GaN 樣品，是一個常關元件。它將高壓 GaN HEMT 技術與硅 MOSFET 的低壓技術相結合，提供高度可靠的運行和卓越的性能。兩種功率器件最重要的特性如下表所示。

靜態狀態下的效率和 R DS(on)

以下仿真用于評估和檢查電源電路在靜態狀態下的效率值，并驗證器件開啟時漏源通道的電阻。圖 2 中的圖表顯示了處于開啟狀態的兩個正在檢查的器件，后者在柵極上用 20 V 的直流電壓固定。對于 50-Ω 負載，系統電源為 500 V。下表顯示了測量數據：

兩個組件的 R DS(on)的計算是在器件開啟狀態期間通過執行以下等式進行的：

效率計算也非常簡單，用于評估系統中有利可圖的能源使用量，以及在未使用熱量中損失的差異：

圖2：兩種器件在靜態模式下的通態工作原理圖

動態狀態下的效率和功率損耗

動態機制是最重要的，因為在這里對組件進行了測試。由于 EMI、功率損耗、連接的任何感應負載以及組件本身的切換，系統會承受很大的壓力。圖 3 顯示了 PWM 電源的一般示例，在這種情況下，其頻率約為 500 kHz。PWM 信號的產生是通過兩個單片 P 和 N 溝道 MOSFET 進行的。通過具有以下特征的鐵氧體磁珠來降低某些類型的噪聲：

電感：0.38 μH

串聯電阻：0.371Ω

并聯電阻：1,600 Ω

并聯電容：0.78 pF

到 100 Mhz 的阻抗：266.5 Ω

最大限度。阻抗：1,598.1 Ω

最大頻率 阻抗：292兆赫

圖 3：動態狀態下兩種器件的工作原理圖

技術正在與停電作斗爭（圖 4）。組件的非理想特性在開關時刻精確地增加了它們的耗散功率。?

組件的輸入和輸出容量，以及它的 R DS(on)和其他元素的存在，都會導致功率損耗，幸運的是，功率損耗每天都在改善。

以下是兩個設備運行所達到的效率：

碳化硅場效應管效率：98.24%

GaN FET效率：99.02%

這些都是極高的效率，允許積極使用幾乎所有的能量，同時保持 MOSFET 的低工作溫度。

事實上，導通狀態下的 V ds?值非常低，電子開關的表現幾乎完美。

圖 4：兩種設備的功率損耗

僅當使用的兩個組件的相關 SPICE 庫可用、可從 Internet 下載并包含以下標頭時，才能進行仿真：

.subckt UJ4SC075006K4S nd ng ns nss

和

.subckt TP65H150G4LSG 301 302 303

結論

設計人員應牢記，使用功率器件進行的電子仿真可能與實際情況大相徑庭，尤其是在系統包含電感和電容元件的情況下。

審核編輯：劉清
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