如何使用氮化镓:氮化镓场效应晶体管的驱动器和版图的考虑因素

我们在之前的文章讨论了氮化镓场效应晶体管的优势，以及它具备可实现更高效率和更快开关速度的潜力，为硅MOSFET器件所不可能实现的。本章将探讨如何利用氮化镓场效应晶体管并考虑驱动器和版图方面的要求，以提高工程师的设计性能。

驱动器的考虑因素

氮化镓场效应晶体管与传统硅器件的工作原理相同，除了有几方面是例外，如最重要的差异是前者的最大栅极电压为6 V。为了实现氮化镓场效应晶体管的最高性能，我们建议使用4 V至5 V的驱动器，如图1所示。由于氮化镓器件具较低的最高栅极电压，因此建议使用可调控电压的栅极驱动电路，以确保安全操作。我们与德州仪器公司合作开发一系列驱动器，旨在简单及可靠地解决驱动氮化镓晶体管一直以来所面对的挑战。这些驱动器系列可帮助设计师在大部分的应用中易于采用氮化镓场效应晶体管。

图1: 在不同温度下氮化镓场效应晶体管的导通阻抗与栅极电压的关系

版图的考虑因素

由于具备高频、低导通阻抗及低封装寄生电感等性能，因此氮化镓场效应晶体管具有目前硅(Si)技术所不能拥有的性能潜力。此外，也由于氮化镓器件具备更高的开关速度及更低封装寄生电感，印刷电路板的版图会影响转换器的性能。如图2a所示，共源电感(LS)与高频功率环路电感(LLOOP)对转换器的功耗影响很大，所以这些在印刷电路板版图的电感必需减至最低。为了展示高频环路电感对电路性能的影响，图2b展出在0.4 nH至2.9 nH环路电感的实验性原型的效率。从图2可以看到，在基于氮化镓场效应晶体管的设计提高印刷电路板版图中的环路电感可以降低效率达差不多5%。

图2： 1)具寄生电感的同步降压转换器 2) 在具有相同共源电感的设计，高频环路电感对效率的影响 VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=150 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG)

氮化镓场效应晶体管的极高开关速度的另一个影响是与较慢、具更高寄生电感的硅MOSFET器件相比，就算在少高频环路电感时，氮化镓晶体管在电路中会发生电压过冲的现象。只要降低高频环路电感就可以减少过冲、提升器件的输入电压能力及减少EMI。 图3比较了两个基于氮化镓场效应晶体管的设计的同步整流器的漏极至源极电压的波形图：第一个设计具1.6 nH值的高频环路电感时，100%输入电压为过冲电压;第二个设计具0.4 nH值的高频环路电感时，只有25%输入电压为过冲电压。

图3： 两个设计的开关节点波形图： 设计一: LLOOP≈1.6 nH 设计二： 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)

优化版图

最重要需要减少的寄生电感是共源电感，它是高频功率环路及栅极驱动器环路的电感。印刷电路板版图会增加共源电感，要把共源电感减至最低，建议设计栅极驱动器环路及高频功率环路很少相互影响的版图。图4a是一个版图范例，红色为栅极驱动器环路，黄色代表高频环路，只会在氮化镓场效应晶体管旁边交流，而氮化镓场效应晶体管的封装可以把共源电感最低减至超低内部封装电感。

在高频功率环路，大部分的转换器设计使用两种传统设计印刷电路板版图的方法，分别为横向及直向高频功率环路设计。图4a是横向功率环路设计的顶视图，黄色为高频环路，输入电容及器件放置在印刷电路板的相同一面，电流横向地在电路板的顶层流过。所有元件应该紧密排列以减低高频环路的物理尺寸。图4b展示了直向功率环路设计的侧视图，输入电容及器件放置在印刷电路板的相反两边，电容则一般放置在器件的正下方，从而把环路的物理尺寸缩至最小。这个版图被视为一个直向功率环路，因为功率环路必需由输入电容及器件通过印刷电路板的通孔作直向连接才可以完成。这两个设计有好处也有坏处，我们在“优化版图白皮书”已作详细讨论。

图4： 传统印刷电路板设计配以氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)a) 横向功率环路的顶视图 b)直向功率环路的侧视图

要改善性能，可通过发挥传统横向及直向设计的强项及压抑其弱项。宜普公司开发了优化后的版图：我们把印刷电路板的寄生电感减至最低。从图5a的侧面图可看到，使用多层印刷电路板结构并配以low profile 自取消(self-cancelling)环路。这个设计使用内部第一层作为功率环路回路路径，这个路径处于在顶层的功率环路的正下方，容许具有最小物理尺寸的环路与具磁场的自取消环路合成。

图5： 1)含氮化镓场效应晶体管的最佳功率环路的侧视图 2)含氮化镓场效应晶体管最佳设计与含MOSFET器件最佳设计的效率的比较(VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=300 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG)

使用最佳功率环路，相比传统最优印刷电路板版图，高频环路电感可减少达40%即低于0.4 nH值，这相等于性能得以提升。图5b展示了使用最佳版图，对内含40 V硅MOSFET器件与含40 V氮化镓场效应晶体管的降压转换器的效率作出比较。我们可以看到，基于氮化镓场效应晶体管的设计可提高效率超过3%。由于最佳版图大大减少高频环路电感，因此与含40 V硅MOSFET的基准设计比较，含氮化镓器件的设计可增快开关速度达500%及减少过冲电压达40%。

图6： 含氮化镓场效应晶体管的最佳设计与含MOSFET器件的最佳设计的开关节点波形图(VIN=12 V, VOUT=1.2 V, IOUT=20 A, Fs=1 MHz, L=300 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG)

总结

具备高性能的氮化镓场效应晶体管可实现传统硅MOSFET技术所不能实现的潜力--在更高频及更高效下开关。由于氮化镓场效应晶体管改善了品质因数及使用具有低寄生电感的封装，因此需要一个具低寄生电感的印刷电路板版图以全面发挥器件的性能。宜普电源转换公司开发了最佳版图，进一步增强氮化镓场效应晶体管在技术方面的优势并在效率方面实现额外的增益，以及具备可在更高电压下工作的性能。