在LTspice仿真中使用GaN FET模型
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近年來，工業(yè)電源市場對氮化鎵(GaN) FET和碳化硅(SiC) FET等高帶隙器件的興趣日益濃厚。GaN器件憑借顯著降低的電荷特性，能夠在較高開關(guān)頻率下實現(xiàn)高功率密度，而MOSFET在相同條件下運行時會產(chǎn)生巨大的熱損耗。在相同條件下，并聯(lián)MOSFET并不能節(jié)省空間或提升效率，因此GaN FET成為一種頗具吸引力的技術(shù)。業(yè)界對GaN器件性能表現(xiàn)的關(guān)注，相應(yīng)地催生了對各種GaN器件進行準(zhǔn)確仿真以優(yōu)化應(yīng)用性能的需求。LTspice包含ADI最新DC-DC控制器的IC模型，針對GaN FET驅(qū)動進行了優(yōu)化。借助這些模型，設(shè)計工程師可以確定哪種GaN FET最適合特定應(yīng)用，并嘗試不同的組合以獲得理想性能。
用戶在選擇FET器件時，常常遇到這樣的困擾：多家供應(yīng)商的產(chǎn)品供貨和選型變化速度甚至超過了軟件原生元件庫的更新速度，導(dǎo)致用戶無所適從。最終，用戶不得不自行管理自定義的符號和器件庫，以至于分散了用戶為特定應(yīng)用尋找最佳方案的的寶貴時間。此外，如果設(shè)計團隊中有人沒有對元件庫進行同步，可能會阻礙團隊間的協(xié)作。
現(xiàn)在，在analog.com的產(chǎn)品專題頁面上，提供了GaN FET器件的此 類可移植電路的示例。如圖1所示，LTC7891采用一對EPC2218 GaN FET，配置為12 V、240 W工作模式。此文件可直接下載并運行，器件庫無需任何更改。它之所以獨立自足且可移植，是因為仿真中使用的GaN FET是作為子電路模型加以引用。使用的符號是標(biāo)準(zhǔn)NMOS類型符號，任何LTspice版本都支持這些符號，而且每個符號都已配置為指向同一模型名稱的.sub指令語句。
如果設(shè)計人員希望評估其他模型，操作起來也相當(dāng)簡單，并且LTspice文件仍然像下載時一樣可移植，方便其他團隊成員進行評估。如果放置了其他器件，過程也一樣。首先，需要一個模型庫文件（由供應(yīng)商提供）來提取模型數(shù)據(jù)。為了便于參考，電源產(chǎn)品專題頁面上提供的所有示例電路都包含了此網(wǎng)址。圖2 所示為EPC2218A供應(yīng)商提供的器件模型列表示例。為了演示該過程，我們選擇EPC2218A器件作為示例。大多數(shù)供應(yīng)商提供的下載內(nèi)容通常包含多個文件。此外還有符號文件和示例文件。我們關(guān)注的是庫文件（圖3）。如果直接打開庫文件，則會打開默認(rèn)庫安裝程序，這不是推薦的做法。我們的目標(biāo)是不必向本地庫中添加更多元件符號和器件，從而無需進行管理。因此，我們將直接使用庫文件中包含的數(shù)據(jù)。利用任何基本文本編輯器工具（比如記事本）打開庫文件，以獲取其中的數(shù)據(jù)而不執(zhí)行庫安裝。
庫文件里列出了很多子電路文本模型，所有模型都以.subckt [模型名稱]開頭，以.ends結(jié)尾。使用系統(tǒng)自帶的查找功能，找到要插入SPICE電路的模型，并復(fù)制從.subckt到.ends的所有內(nèi)容。在編輯器中打開一個.sp SPICE語句框，然后將復(fù)制的內(nèi)容粘貼到語句框中。為使粘貼的文本在整體編輯區(qū)域中不那么突兀，縮小文本尺寸通常很有幫助。放置或編輯已在編輯區(qū)域中的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)NMOS符號，以鏈接到所粘貼的子電路模型文本。
為此，請按下Ctrl鍵并右鍵單擊NMOS符號。隨即出現(xiàn)一個屬性表，如圖4所示?，F(xiàn)在必須更改幾個關(guān)鍵屬性。首先，需要將Prefix屬性更改為x。這會強制LTspice在本地查找模型，并調(diào)用具有指定名稱的.subkt。接下來，更改Value屬性，使之與所粘貼文本的第一行中.subkt之后的模型名稱完全一致。InstName屬性可以根據(jù)用戶的偏好進行更改（Q、G等）；默認(rèn)為NM，但一旦配置為GaN器件，這些就不再是NMOS FET。
為使模型在SPICE文件中能夠正常工作，最后還需要注意一個細(xì)節(jié)：確保所粘貼的模型文本的網(wǎng)絡(luò)順序約定與LTspice中包含的標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件的順序相匹配。標(biāo)準(zhǔn)NMOS模型使用Drainin Gatein Sourcein作為NMOS器件上引腳編號的約定。部分GaN供應(yīng)商提供的一些模型，所包含的符號和順序可能與此慣例有所不同。例如，Innoscience使用Gate Drain Source，而EPC使用Gatein Drainin Sourcein。無論供應(yīng)商如何列出名稱或網(wǎng)絡(luò)順序，都可以簡單地將粘貼的文本重新排序來匹配LTspice的約定，使之與Drainin Gatein Sourcein的約定相一致。由于此處介紹的子電路方法不依賴于任何符號、器件或模型庫，因此是否重新排序以匹配約定無關(guān)緊 要。即使本地安裝中包含相同器件的默認(rèn)庫或修改后的庫，該文件仍然可以被任何LTspice副本共享和打開。
對任何修改而言，最后一步都是確認(rèn)模型能夠按照預(yù)期正常運行。運行修改完畢的仿真文件后，觀察柵極和開關(guān)波形以驗證仿真結(jié)果，并提供一個基準(zhǔn)來與實測波形進行比較。務(wù)必記住，無論模型多么準(zhǔn)確，仿真終究只是工具，其作用是幫助設(shè)計人員節(jié)省時間，避免發(fā)生高成本失誤，深入了解實際硬件的運行情況。從實際運行的硬件中獲取數(shù)據(jù)，始終是驗證仿真結(jié)果的最終手段。將LTC7891評估板的結(jié)果（圖5）與開關(guān)上升和下降過程的SPICE仿真評估結(jié)果（圖6）進行比較?？偹绤^(qū)時間相當(dāng)準(zhǔn)確，但實際硬件和測量工具的寄生參數(shù)在仿真中并不存在。
為此，必須堅持“始于仿真、終于基準(zhǔn)評估”的原則。如果模型沒有準(zhǔn)確刻畫PCB走線所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)，就無法在LTspice中優(yōu)化柵極電阻。為了實現(xiàn)優(yōu)化并最終完成設(shè)計，唯有對實際硬件進行細(xì)致的測量。導(dǎo)入GaN模型便是此過程的第一步。
只要采用本文建議的方法，在LTspice中使用任何元件制造商提供的GaN器件模型都會很簡單，而且可以避免繁瑣的庫管理工作。這樣一來，電路設(shè)計人員便能專注于器件的精確仿真，而無需為符號、器件和庫的管理而煩惱。對應(yīng)采用此方法創(chuàng)建的文件，任何LTspice用戶都能輕松復(fù)用和共享。因此，現(xiàn)在終端用戶關(guān)注的重點是如何運用基于GaN的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)來驗證設(shè)計構(gòu)想。
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