如何设计具有最佳布局的eGaN FET电源级

技术分享GaN技术杂谈 – Rick Pierson 10月 24, 2018

动机

eGaN^® FET能够比Si MOSFET更快地切换，因此需要更加仔细地考虑PCB布局设计，以最大限度地减少寄生电感。寄生电感会导致更高的过冲电压和较慢的切换过渡。本应用说明回顾了设计具有eGaN FET的最佳功率级布局的关键步骤，以避免这些不良影响并最大化转换器性能。

寄生电感对切换行为的影响

如图1所示，三种寄生电感可能限制切换性能：1) 功率回路电感 (L_loop)，2) 栅极回路电感 (L_g)，以及3) 共源电感 (L_s)。eGaN FET的芯片级封装消除了晶体管内部的任何显著电感，使得印刷电路板（PCB）成为主要的寄生电感来源。每个寄生电感都是由动态电流路径及其返回回路所包围的总面积所导致的。（参见 WP009: 寄生电感对性能的影响）。

图1：基于eGaN FET的功率级等效电路，突出显示了寄生电感和动态电流回路

基于eGaN FET的功率级的最佳布局

利用PCB内部层形成优化的返回路径，可以实现最小的功率回路和栅极回路电感。去耦电容器应放置在高边晶体管的漏极附近。通过PCB过孔连接电容器的接地端到低边源极，使用第一内层，在此层中的介电厚度故意保持较薄，以保持低电感。图2展示了这种最佳布局技术的一个例子。

图2：基于eGaN FET的功率级的最佳布局，突出显示了动态电流回路路径

栅极驱动器必须非常靠近其驱动的每个晶体管或多个晶体管的栅极和源极端子，并且旁路/自举电容和栅极电阻应放置在栅极电流方向与功率回路正交的位置。关键是要将栅极返回电流路径从源极端子处的功率回路中分离出来，以最大限度地减少共源电感。（参见 WP010: PCB布局优化和 WP008: eGaN FET驱动器和布局考虑因素）。

最佳布局如何提升转换器性能

采用eGaN FET的转换器系统本质上优于可比的Si设计，而最佳布局技术进一步增强了这些优势。图3展示了在500 kHz下运行的48 V至12 V降压转换器中的eGaN优势，比较了EPC2045 100 V eGaN FET与S3O8封装的100 V Si MOSFET。两个转换器均采用最佳布局技术，但微小的芯片级EPC2045允许比较大的Si MOSFET具有显著更低的回路电感。图3(a)显示，由于较低的回路电感与GaN的快速切换能力相结合，eGaN版本在保持与Si版本相同的峰值过冲电压的同时，实现了5倍的电压斜率。较快的切换边缘对系统性能有着巨大的影响，如图3(b)所示的高出2%以上的峰值效率所表明的那样。

图3：比较EPC2045 eGaN FET在最佳布局下的48-to-12 V降压转换器与100 V Si MOSFET实例 (a) 开关节点波形，(b) 系统效率。

单片eGaN半桥IC

使用eGaN半桥IC的单片集成进一步改善了回路电感。例如，集成一个12到1 V的POL转换器可以将功率回路电感降低40%，相比于分立方案。图4展示了使用EPC2111单片半桥eGaN IC的EPC9204 POL电源模块，突出显示了通过集成实现的超高密度功率回路和栅极回路。更多信息可以参见AN018: 更高DC-DC效率和功率密度的GaN集成。