如何使用氮化鎵：氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的驅動(dòng)器和版圖的考慮因素

我們在之前的文章討論了氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的優(yōu)勢，以及它具備可實(shí)現更高效率和更快開(kāi)關(guān)速度的潛力，為硅MOSFET器件所不可能實(shí)現的。本章將探討如何利用氮化鎵場(chǎng)效應晶體管并考慮驅動(dòng)器和版圖方面的要求，以提高工程師的設計性能。

驅動(dòng)器的考慮因素

氮化鎵場(chǎng)效應晶體管與傳統硅器件的工作原理相同，除了有幾方面是例外，如最重要的差異是前者的最大柵極電壓為6 V。為了實(shí)現氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的最高性能，我們建議使用4 V至5 V的驅動(dòng)器，如圖1所示。由于氮化鎵器件具較低的最高柵極電壓，因此建議使用可調控電壓的柵極驅動(dòng)電路，以確保安全操作。我們與德州儀器公司合作開(kāi)發(fā)一系列驅動(dòng)器，旨在簡(jiǎn)單及可靠地解決驅動(dòng)氮化鎵晶體管一直以來(lái)所面對的挑戰。這些驅動(dòng)器系列可幫助設計師在大部分的應用中易于采用氮化鎵場(chǎng)效應晶體管。

圖1: 在不同溫度下氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的導通阻抗與柵極電壓的關(guān)系

版圖的考慮因素

由于具備高頻、低導通阻抗及低封裝寄生電感等性能，因此氮化鎵場(chǎng)效應晶體管具有目前硅(Si)技術(shù)所不能擁有的性能潛力。此外，也由于氮化鎵器件具備更高的開(kāi)關(guān)速度及更低封裝寄生電感，印刷電路板的版圖會(huì )影響轉換器的性能。如圖2a所示，共源電感(LS)與高頻功率環(huán)路電感(LLOOP)對轉換器的功耗影響很大，所以這些在印刷電路板版圖的電感必需減至最低。為了展示高頻環(huán)路電感對電路性能的影響，圖2b展出在0.4 nH至2.9 nH環(huán)路電感的實(shí)驗性原型的效率。從圖2可以看到，在基于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的設計提高印刷電路板版圖中的環(huán)路電感可以降低效率達差不多5%。

圖2： 1)具寄生電感的同步降壓轉換器 2) 在具有相同共源電感的設計，高頻環(huán)路電感對效率的影響 VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=150 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG)

氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的極高開(kāi)關(guān)速度的另一個(gè)影響是與較慢、具更高寄生電感的硅MOSFET器件相比，就算在少高頻環(huán)路電感時(shí)，氮化鎵晶體管在電路中會(huì )發(fā)生電壓過(guò)沖的現象。只要降低高頻環(huán)路電感就可以減少過(guò)沖、提升器件的輸入電壓能力及減少EMI。 圖3比較了兩個(gè)基于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的設計的同步整流器的漏極至源極電壓的波形圖：第一個(gè)設計具1.6 nH值的高頻環(huán)路電感時(shí)，100%輸入電壓為過(guò)沖電壓;第二個(gè)設計具0.4 nH值的高頻環(huán)路電感時(shí)，只有25%輸入電壓為過(guò)沖電壓。

圖3： 兩個(gè)設計的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形圖： 設計一: LLOOP≈1.6 nH 設計二： LLOOP≈0.4 nH (VIN =12 V, VOUT=1.2 V, IOUT=20 A, Fs=1 MHz, L=150 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015)

優(yōu)化版圖

最重要需要減少的寄生電感是共源電感，它是高頻功率環(huán)路及柵極驅動(dòng)器環(huán)路的電感。印刷電路板版圖會(huì )增加共源電感，要把共源電感減至最低，建議設計柵極驅動(dòng)器環(huán)路及高頻功率環(huán)路很少相互影響的版圖。圖4a是一個(gè)版圖范例，紅色為柵極驅動(dòng)器環(huán)路，黃色代表高頻環(huán)路，只會(huì )在氮化鎵場(chǎng)效應晶體管旁邊交流，而氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的封裝可以把共源電感最低減至超低內部封裝電感。

在高頻功率環(huán)路，大部分的轉換器設計使用兩種傳統設計印刷電路板版圖的方法，分別為橫向及直向高頻功率環(huán)路設計。圖4a是橫向功率環(huán)路設計的頂視圖，黃色為高頻環(huán)路，輸入電容及器件放置在印刷電路板的相同一面，電流橫向地在電路板的頂層流過(guò)。所有元件應該緊密排列以減低高頻環(huán)路的物理尺寸。圖4b展示了直向功率環(huán)路設計的側視圖，輸入電容及器件放置在印刷電路板的相反兩邊，電容則一般放置在器件的正下方，從而把環(huán)路的物理尺寸縮至最小。這個(gè)版圖被視為一個(gè)直向功率環(huán)路，因為功率環(huán)路必需由輸入電容及器件通過(guò)印刷電路板的通孔作直向連接才可以完成。這兩個(gè)設計有好處也有壞處，我們在“優(yōu)化版圖白皮書(shū)”已作詳細討論。