之前的文章討論了氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢(shì)，以及它具備可實(shí)現(xiàn)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(xiàn)的。本章將探討如何利用氮化鎵場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)發(fā)一系列驅(qū)動(dòng)器，旨在簡(jiǎn)單及可靠地解決驅(qū)動(dòng)氮化鎵晶體管一直以來(lái)所面對(duì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管。
圖1: 在不同溫度下氮化鎵場(chǎng)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(chǎng)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(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(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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(yīng)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(xiàn)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(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(guò)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(guò)沖電壓。
圖3： 兩個(gè)設(shè)計(jì)的開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)晶體管旁邊交流，而氮化鎵場(chǎng)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(guò)。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(guò)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?cè)?ldquo;優(yōu)化版圖白皮書(shū)”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(chǎng)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(guò)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(kāi)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(chǎng)的自取消環(huán)路合成。
圖5： 1)含氮化鎵場(chǎng)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(chǎng)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(duì)內(nèi)含40 V硅MOSFET器件與含40 V氮化鎵場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)可提高效率超過(guò)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(kāi)關(guān)速度達(dá)500%及減少過(guò)沖電壓達(dá)40%。
圖6： 含氮化鎵場(chǎng)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)關(guān)。由于氮化鎵場(chǎng)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(kāi)發(fā)了最佳版圖，進(jìn)一步增強(qiáng)氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管在技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)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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