【经验】为什么eGaN FET的EMI比MOSFET更低？

时间： 2020-05-30 来源：EPC

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GaN FETs的开关速度比Si MOSFETs快得多，这引起许多系统设计者的疑问：更高的开关速度如何影响EMI？本文中EPC讨论了在设计使用eGaN^®FETs的开关转换器系统时要考虑的简单缓解技术，并将展示为什么GaN FETs尽管开关速度快，但其EMI却比MOSFETs低。

EMI系统概述

图1：EMI系统概述

图1显示了EMI系统的组件：

EMI系统的第一个组件是能量源，它可以以各种形式产生，例如作为晶体管的开关事件。来自能量源的能量需要传输路径，例如PCB上的导体。这些传输路径可以形成电容器的极板，电压可以在其中辐射出电场，或者在回路中形成电流路径可以辐射出磁场。环路还可能辐射出电场，反之亦然，电容器极板可能辐射出磁场。

无论传输方式和路径如何，EMI能量都会被接收。在直接传输的情况下，它被称为“传导EMI”，在空间的情况下，它被称为“辐射”。

EMI系统中的最后一个组件是接收器，根据定义，接收器的电路会被损坏并导致不良行为。接收器电路可以是包括源电路或第三方电路的相同电路，例如无线电接收器。在第三方接收器电路的情况下，防止EMI引起的不良行为受EMI标准的约束。

解决用于合规和防止失效的EMI缓解措施不可避免地会增加系统成本。为解决EMI而采取的措施越接近（包括）源头，系统的成本就越低。

布局的影响

布局是一种零成本的增加EMI缓解措施的方法。设计转换器时，布局固有地具有寄生电感。在图2所示的同步降压转换器示例中，显示了在上升沿硬开关过渡之后，环路电感对开关节点的电压过冲的影响。

左图显示了具有大约1 nH的环路电感的布局，并导致70％的峰值电压过冲并产生振铃。右侧图像显示了具有400 pH的环路电感的布局，并导致30％的峰值电压过冲并带有振铃。

图2：布局对过冲的影响

产生的EMI与电压过冲幅度的平方成正比，并且通常随着电场的传播而传播，电场由与地形成电容器的导体发出。环路电感还会在振铃期间传导电流，并产生与电流大小的平方成正比的相应EMI，该EMI通常会随着从功率环路电路发出的磁场而传播。将电源环路电感降低一半，可以将产生的EMI降低四分之一。

上升/下降时间的影响

尽管GaN FETs的开关速度比MOSFETs快得多，但需要注意的是，仅仅因为一个器件的开关速度比另一个器件快，所以从根本上来说，EMI能量没有变化，仅仅是频率能量发生了变化。

在图3中的示例中，工作频率为1 MHz的降压转换器，将48 V输入电压转换为12 V输出电压，分别采用5 ns和1 ns的两个开关瞬态条件，对此进行说明。该图显示了两种瞬态条件下开关节点电压的频谱，其中上升沿时间设置为与下降沿时间相同，并且不包括电压过冲和振铃。

图3：上升/下降时间对频谱能量的影响

在90 MHz时，频谱能量已经衰减了42 dB。在5 ns瞬态情况下，节点的第一频率为200 MHz或1/5 ns；在1 ns瞬态情况下，节点的第一频率为1 GHz或1 ns。

在这些频率之上，频谱幅度的降低速率为每十倍频频40 dB，这意味着对滤波要求已经非常低，因此，解决前面讨论的电压过冲振铃变得尤为关键。

开关节点有效地形成了电容器的极板，而接地是第二极板，从而使这种形式的EMI E场辐射占优势。

反向恢复电荷（Q_RR）的影响

最后，以一个示例为例，评估了使用硬开关降压转换器的反向恢复电荷对EMI的常见影响。反向恢复电荷表现为电源环路中的直通电流，如前所述，电源环路中的电流会导致电压过冲和振铃。反向恢复电荷会增加电源环路中的能量，因此会向EMI噪声源添加与反向恢复电流的平方成比例的能量。该反向恢复电流的幅度可能比降压转换器的电感器电流高出几倍。

图4：反向恢复电荷（Q_RR）的影响

图4的左侧波形显示了基于MOSFET的降压转换器的电压过冲和振铃，其死区时间分别为5 ns，20 ns和40 ns，在相同工作条件下，右侧为eGaN FET等效波形。在右边的波形中可以看到，死区时间的变化对eGaN FET没有影响，因为它的反向恢复电荷为零。

总结

eGaN FETs和eGaN ICs与EMI兼容。通过采用简单的布局技术，可以确保显著减少EMI的产生，从而可以以零成本降低EMI。

较高的转换压摆率只会导致频谱含量发生变化，而不会增加EMI能量。在更高的频率下，EMI降低技术更有效，从而降低了实现成本。

最后，eGaN FETs和eGaN ICs采用晶圆级芯片规模封装（WLCS），其内部电感几乎为零，并且反向恢复电荷为零，因此在硬开关转换器中产生的EMI固有能量更少。

尽管eGaN FETs的开关速度明显更快，但其产生的EMI却比MOSFETs少。

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