之前的文章討論了氮化鎵場效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢，以及它具備可實(shí)現(xiàn)更高效率和更快開關(guān)速度的潛力，為硅MOSFET器件所不可能實(shí)現(xiàn)的。本章將探討如何利用氮化鎵場效應(yīng)晶體管并考慮驅(qū)動(dòng)器和版圖方面的要求，以提高工程師的設(shè)計(jì)性能。
驅(qū)動(dòng)器的考慮因素
氮化鎵場效應(yīng)晶體管與傳統(tǒng)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(xiàn)氮化鎵場效應(yīng)晶體管的最高性能，我們建議使用4 V至5 V的驅(qū)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(diào)控電壓的柵極驅(qū)動(dòng)電路，以確保安全操作。我們與德州儀器公司合作開發(fā)一系列驅(qū)動(dòng)器，旨在簡單及可靠地解決驅(qū)動(dòng)氮化鎵晶體管一直以來所面對的挑戰(zhàn)。這些驅(qū)動(dòng)器系列可幫助設(shè)計(jì)師在大部分的應(yīng)用中易于采用氮化鎵場效應(yīng)晶體管。
圖1: 在不同溫度下氮化鎵場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)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(dǎo)通阻抗及低封裝寄生電感等性能，因此氮化鎵場效應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yàn)性原型的效率。從圖2可以看到，在基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)提高印刷電路板版圖中的環(huán)路電感可以降低效率達(dá)差不多5%。
圖2： 1)具寄生電感的同步降壓轉(zhuǎn)換器 2) 在具有相同共源電感的設(shè)計(jì)，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)
氮化鎵場效應(yīng)晶體管的極高開關(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)生電壓過沖的現(xiàn)象。只要降低高頻環(huán)路電感就可以減少過沖、提升器件的輸入電壓能力及減少EMI。 圖3比較了兩個(gè)基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)的同步整流器的漏極至源極電壓的波形圖：第一個(gè)設(shè)計(jì)具1.6 nH值的高頻環(huán)路電感時(shí)，100%輸入電壓為過沖電壓;第二個(gè)設(shè)計(jì)具0.4 nH值的高頻環(huán)路電感時(shí)，只有25%輸入電壓為過沖電壓。
圖3： 兩個(gè)設(shè)計(jì)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖： 設(shè)計(jì)一: LLOOP≈1.6 nH 設(shè)計(jì)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(qū)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(shè)計(jì)柵極驅(qū)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(qū)動(dòng)器環(huán)路，黃色代表高頻環(huán)路，只會(huì)在氮化鎵場效應(yīng)晶體管旁邊交流，而氮化鎵場效應(yīng)晶體管的封裝可以把共源電感最低減至超低內(nèi)部封裝電感。
在高頻功率環(huán)路，大部分的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)使用兩種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。圖4a是橫向功率環(huán)路設(shè)計(jì)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。所有元件應(yīng)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(shè)計(jì)的側(cè)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?yàn)楣β虱h(huán)路必需由輸入電容及器件通過印刷電路板的通孔作直向連接才可以完成。這兩個(gè)設(shè)計(jì)有好處也有壞處，我們在“優(yōu)化版圖白皮書”已作詳細(xì)討論。
圖4： 傳統(tǒng)印刷電路板設(shè)計(jì)配以氮化鎵場效應(yīng)晶體管(eGaN FET)a) 橫向功率環(huán)路的頂視圖 b)直向功率環(huán)路的側(cè)視圖
要改善性能，可通過發(fā)揮傳統(tǒng)橫向及直向設(shè)計(jì)的強(qiáng)項(xiàng)及壓抑其弱項(xiàng)。宜普公司開發(fā)了優(yōu)化后的版圖：我們把印刷電路板的寄生電感減至最低。從圖5a的側(cè)面圖可看到，使用多層印刷電路板結(jié)構(gòu)并配以low profile 自取消(self-cancelling)環(huán)路。這個(gè)設(shè)計(jì)使用內(nèi)部第一層作為功率環(huán)路回路路徑，這個(gè)路徑處于在頂層的功率環(huán)路的正下方，容許具有最小物理尺寸的環(huán)路與具磁場的自取消環(huán)路合成。
圖5： 1)含氮化鎵場效應(yīng)晶體管的最佳功率環(huán)路的側(cè)視圖 2)含氮化鎵場效應(yīng)晶體管最佳設(shè)計(jì)與含MOSFET器件最佳設(shè)計(jì)的效率的比較(VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=300 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG)
使用最佳功率環(huán)路，相比傳統(tǒng)最優(yōu)印刷電路板版圖，高頻環(huán)路電感可減少達(dá)40%即低于0.4 nH值，這相等于性能得以提升。圖5b展示了使用最佳版圖，對內(nèi)含40 V硅MOSFET器件與含40 V氮化鎵場效應(yīng)晶體管的降壓轉(zhuǎn)換器的效率作出比較。我們可以看到，基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)可提高效率超過3%。由于最佳版圖大大減少高頻環(huán)路電感，因此與含40 V硅MOSFET的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)比較，含氮化鎵器件的設(shè)計(jì)可增快開關(guān)速度達(dá)500%及減少過沖電壓達(dá)40%。
圖6： 含氮化鎵場效應(yīng)晶體管的最佳設(shè)計(jì)與含MOSFET器件的最佳設(shè)計(jì)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖(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)
總結(jié)
具備高性能的氮化鎵場效應(yīng)晶體管可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硅MOSFET技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的潛力--在更高頻及更高效下開關(guān)。由于氮化鎵場效應(yīng)晶體管改善了品質(zhì)因數(shù)及使用具有低寄生電感的封裝，因此需要一個(gè)具低寄生電感的印刷電路板版圖以全面發(fā)揮器件的性能。宜普電源轉(zhuǎn)換公司開發(fā)了最佳版圖，進(jìn)一步增強(qiáng)氮化鎵場效應(yīng)晶體管在技術(shù)方面的優(yōu)勢并在效率方面實(shí)現(xiàn)額外的增益，以及具備可在更高電壓下工作的性能。
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