How2GaN | 如何设计具有最佳布局的eGaN® FET功率级

时间： 2024-10-24 来源：EPC宜普电源公众号

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eGaN FET的开关速度比硅基MOSFET更快，因此需要更仔细地考虑印刷电路板（PCB）布局设计以最小化寄生电感。寄生电感会导致过冲电压更高，同时减慢开关速度。本篇笔记将会探讨使用eGaN FET设计最佳功率级布局的关键步骤，来避免上述不良影响并最大化转换器性能。

寄生电感对开关行为的影响

如图1所示，三种寄生电感会限制开关性能：1）功率回路电感（Lloop），2）栅极回路电感（Lg），3）共源电感（Ls）。eGaN FET的芯片封装消除了来自晶体管内部的任何显著电感，使PCB成为主要电感来源，同时使得寄生电感仅由动态电流路径及其回路所包围的总面积产生。

图1：基于eGaN FET的功率级的等效电路，展示了寄生电感和动态电流回路

基于eGaN FET的功率级的最佳布局

利用PCB内层形成优化的回路径，可以实现功率回路和栅极回路电感最小。去耦电容放置于靠近高侧晶体管的漏极。通过第一内层，PCB导孔用于将电容器的接地端子连接到低侧源极，第一内层的介质厚度被刻意保持在较薄的状态以保持低电感。图2显示了这种最佳布局技术。

栅极驱动器必须非常靠近其驱动的每个晶体管的栅极和源极端子，并且旁路/自举电容器和栅极电阻应放置在使栅极电流方向与功率回路正交的位置。必须将栅极回流路径与源极端子的功率回路分开，以最小化共源电感。

图2：基于eGaN FET的功率级的最佳布局，展示了动态电流回路路径

最佳布局如何提升转换器性能

采用eGaN FET的转换器系统本质上优于相同规格下的硅基设计，而最佳布局技术进一步增强了这些优势。图3展示了在48V到12V、500kHz工作频率的降压转换器中，EPC2045 100V eGaN FET与S3O8封装的100V硅MOSFET的比较优势。两种转换器都采用了最佳布局技术，但较小的芯片级EPC2045相比较大的硅MOSFET显著降低了回路电感。图3显示，由于较低的回路电感和氮化镓的快速开关能力，eGaN版本在保持与硅版本相同峰值过冲电压的同时，实现了5倍斜率。更快的开关边缘对系统性能有巨大的影响。

图3：在最佳布局中，使用EPC2045 eGaN FET的48V到12V降压转换器的开关节点波形与100V硅MOSFET示例的对比

单片eGaN半桥IC

采用eGaN集成电路的单片集成进一步改善了回路电感。例如图4展示了EPC2152单片功率级（图中绿线）在1 MHz下作为降压转换器运行时的系统效率，输入电压为48V，输出电压为12V，电流为10A。图4中的黑色图案“X”则展示了最先进的硅解决方案在1 MHz下的比较性能。可以看出，氮化镓单片功率级相比硅解决方案能减少50%的功率损耗。

图4还展示了将驱动器和功率FET集成在同一芯片上的优势。蓝线测量的是相同半桥接法下的效率，但采用了分立式GaN FET，驱动器和电平移位器则单独配置于硅基集成电路中。效率显著提高的两个主要原因是：（1）当驱动器和功率器件在同一芯片上紧密接触时，栅极回路电感减少；（2）两个功率FET的单片集成将整体功率回路电感减半。

图4：输入电压为48V，输出电压为12V时，在1 MHz频率下工作的EPC2152功率级（蓝线）在10 A时的整体功率损耗（包括电感器和控制集成电路）比最佳的硅MOSFET解决方案（黑色X）低50%。而绿线展示了使用由硅集成电路驱动的分立GaN FET器件功率级的效率曲线

结论

由于eGaN FET开关速度变快，需要改善封装和布局技术以尽量减少寄生电感，并充分利用这些先进器件。芯片级eGaN FET将封装电感减少到几乎为零，同时实现了超低电感的PCB电源回路。优化PCB布局对于发挥eGaN FET设计的最大性能至关重要。

图5：EPC2152，80 V，15 A ePower^TM Stage集成电路

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