GaN FET的开关速度比Si MOSFET快得多，导致许多系统设计师会问 − 更快的开关速度如何影响EMI？

本博客讨论了在设计使用eGaN^® FET的开关转换器系统时需要考虑的简单缓解技术，并将展示为什么尽管GaN FET的开关速度很快，但其产生的EMI比MOSFET少。

EMI系统概述

图1显示了EMI系统的组成部分：

EMI系统的第一个组件是能量源，能量源可以以各种形式出现，例如晶体管的开关事件。来自源的能量需要传输路径，如PCB上的导体。这些传输路径可以形成电容器的板，在那里电压可以作为E场辐射，或者在回路中电流路径可以作为H场辐射。进一步地，一个回路可以辐射E场，反之，电容器板可以辐射H场。

无论传输方式和路径如何，EMI能量必须被接收。在直接传输的情况下，这称为‘传导EMI’，在场的情况下称为‘辐射’。

EMI系统的最后一个组件是接收器，按照定义，这是一个被破坏并导致不良行为的电路。接收器电路可以是包含源的同一电路或第三方电路，例如无线电接收器。在第三方接收器电路的情况下，预防EMI引起的不良行为受EMI标准的约束。

为了合规和预防腐败，解决EMI缓解措施不可避免地会增加系统成本。越接近（包括）源采取措施解决EMI，系统成本越低。

布局的影响

布局是一个零成本的EMI缓解措施。在设计转换器时，布局固有地具有寄生电感。在图2所示的同步降压转换器示例中，显示了回路电感对开关节点电压过冲的影响，在上升沿硬开关过渡之后。

左侧图像显示了约1 nH回路电感的布局，导致70%的峰值电压过冲和振铃。右侧图像显示了400 pH回路电感的布局，导致30%的峰值电压过冲和振铃。

产生的EMI与电压过冲幅度的平方成正比，通常作为从形成与地电容器的导体发出的E场传播。回路电感在振铃期间也会传导电流，相应地产生的EMI与电流幅度的平方成正比，通常作为从电源回路电路发出的H场传播。

将电源回路电感减少一半，可使产生的EMI减少四倍。

上升/下降时间的影响

尽管GaN FET的开关速度比MOSFET快得多，但重要的是要注意，仅仅因为一种设备开关速度比另一种设备快，本质上并没有改变EMI能量。只是频谱内容的变化。

这一点在图3中的一个示例中得以展示，该示例使用了一个工作频率为1 MHz的降压转换器，将48 V输入电压转换为12 V，在5 ns和1 ns的两种开关瞬态条件下。该图显示了这两种瞬态条件下开关节点电压的频谱，其中上升沿时间与下降沿时间相同，并且排除了电压过冲和振铃。

在90 MHz处，频谱内容已被衰减了42 dB。在5 ns瞬态情况下，第一个显著频率为200 MHz或5 ns的倒数，而在1 ns瞬态情况下，第一个显著频率为1 GHz或1 ns的倒数。

这些频率以上的频谱幅度下降速率为每十年40 dB，这意味着滤波要求已经非常低，因此更关键的是解决之前讨论的电压过冲振铃问题。

开关节点有效地形成了一个电容器的板，地是第二个板，使这种形式的EMI以E场辐射为主。

反向恢复(Q_RR)的影响

最后，作为一个示例，评估了在硬开关降压转换器中反向恢复对EMI的影响，这往往被忽视。

反向恢复表现为电源回路中的穿通电流，如前所述，电源回路中的电流导致电压过冲和振铃。反向恢复增加了电源回路中的能量，因此也增加了EMI噪声源的能量，其与反向恢复电流的平方成正比。这个反向恢复电流的幅度可能是降压转换器电感电流的几倍。

图4左侧波形显示了MOSFET降压转换器在5 ns、20 ns和40 ns的死区时间下的电压过冲和振铃，右侧波形显示了在相同工作条件下eGaN FET的等效波形。

可以在右侧波形中看到，死区时间的变化对eGaN FET没有影响，因为它没有反向恢复。

总结

eGaN FET和IC与EMI兼容。通过采用简单的布局技术，可以确保显著减少EMI的产生，且不会增加EMI缓解的成本。

更高的开关跃迁速率只会导致频谱内容的变化，但不会增加EMI能量。在更高频率下，EMI减小技术更有效，导致实施成本更低。

最后，eGaN FET和IC采用晶圆级芯片封装（WLCS），几乎没有内部电感，并且没有反向恢复，因此在硬开关转换器中本质上会产生更少的EMI能量。

尽管它们的开关速度快得多，但eGaN FET产生的EMI比MOSFET少。

注意:  有关更多信息，包括Würth Elektronik关于电感选择和布置影响的详细讨论，请参见我们GaN系列视频中的视频：设计基础：EMI缓解技术。

Michael de Rooij, Ph.D., Vice President, Applications Engineering