GaN FETs 可以比 Si MOSFETs 切換得更快，這使得許多系統設計師會問−更快的切換速度如何影響 EMI？

本博客討論了在使用 eGaN^® FETs 設計切換轉換器系統時考慮的簡單緩解技術，並將展示為什麼 GaN FETs 產生的 EMI 比 MOSFETs 少，儘管其切換速度很快。

EMI 系統概述

圖 1 顯示了 EMI 系統的組成部分：

EMI 系統的第一個組成部分是能量源，這可以以不同形式產生，例如晶體管的切換事件。來自能量源的能量需要傳輸路徑，例如在PCB上的導體。這些傳輸路徑可以形成電容器的極板，電壓可以作為 E 場輻射，或者在電流路徑形成的迴路中，電流可以作為 H 場輻射。同樣可能的是，一個迴路可以輻射 E 場，反之亦然，電容器的極板可以輻射 H 場。

無論傳輸方式和路徑如何，EMI 能量必須被接收。在直接傳輸的情況下，稱為“傳導 EMI”，在場的情況下，稱為“輻射”。

EMI 系統的最後一個組成部分是接收器，根據定義，這是一個電路，由於 EMI 受到污染，導致不希望的行為。接收電路可以是包含能量源的同一電路，也可以是第三方電路，例如收音機接收器。在第三方接收器電路的情況下，防止 EMI 誘發的不希望行為由 EMI 標準管理。

為合規和防止污染而採取的 EMI 緩解措施不可避免地增加了系統成本。越接近（並包括）能量源採取措施處理 EMI，系統成本越低。

佈局的影響

佈局是一種零成本的 EMI 緩解措施。在設計轉換器時，佈局本身具有寄生電感。在圖 2 所示的同步降壓轉換器示例中，顯示了在上升沿硬切換轉換後，迴路電感對開關節點電壓過衝的影響。

左側圖像顯示了具有約 1 nH 迴路電感的佈局，結果是 70% 峰值電壓過衝和振鈴。右側圖像顯示了具有 400 pH 迴路電感的佈局，結果是 30% 峰值電壓過衝和振鈴。

生成的 EMI 與電壓過衝幅度的平方成正比，通常以 E 場形式從形成電容器的導體發射。迴路電感在振鈴期間也會導電流，生成的 EMI 與電流幅度的平方成正比，通常以 H 場形式從電源迴路電路發射。

將電源迴路電感減半可以使生成的 EMI 減少四倍。

上升/下降時間的影響

儘管 GaN FETs 可以比 MOSFETs 切換得更快，但重要的是要注意，僅僅因為一個器件切換得比另一個更快，EMI 能量基本上不會改變。僅僅是頻譜內容的變化。

這在圖 3 的示例中顯示，該示例使用 1 MHz 操作的降壓轉換器，將 48 V 輸入電壓轉換為 12 V，分別針對 5 ns 和 1 ns 的兩個切換瞬態條件。該圖顯示了兩種瞬態條件下開關節點電壓的頻譜，上升沿時間設置為與下降沿時間相同，並且不包括電壓過衝和振鈴。

在 90 MHz 時，頻譜內容已經衰減了 42 dB。在 5 ns 瞬態情況下，第一個顯著頻率是 200 MHz，即 1/5 ns；在 1 ns 瞬態情況下，第一個顯著頻率是 1 GHz，即 1/1 ns。

上述這些頻率的頻譜幅度下降率為每十年 40 dB，這意味著過濾要求已經非常低，因此使得處理前面討論的電壓過衝振鈴更加重要。

開關節點實際上形成了與地面成對的電容板，這種形式的 EMI 以 E 場輻射為主。

反向恢復的影響 (Q_RR)

最後，作為一個示例，評估了在硬切換降壓轉換器中反向恢復對 EMI 的影響，這通常被忽視。

反向恢復表現為電源迴路中的貫穿電流，正如前面討論的那樣，電源迴路中的電流會導致電壓過衝和振鈴。反向恢復會增加電源迴路中的能量，從而增加 EMI 噪聲源的能量，這與反向恢復電流的平方成正比。這個反向恢復電流的幅度可能比降壓轉換器的電感電流高出幾倍。

圖 4 左側波形顯示了 MOSFET 基於的降壓轉換器在分別為 5 ns、20 ns 和 40 ns 的死時間條件下的電壓過衝和振鈴，而右側波形顯示了在相同操作條件下的 eGaN FET 等效情況。

可以在右側波形看到，死時間的變化對 eGaN FET 沒有影響，因為它具有零反向恢復。

摘要

eGaN FETs 和 ICs 具有 EMI 兼容性。通過採用簡單的佈局技術，可以確保顯著減少 EMI 產生，而不會增加 EMI 緩解成本。

更高的切換速率僅會導致頻譜內容的變化，但不會增加 EMI 能量。在更高頻率下，EMI 減少技術更有效，從而降低實施成本。

最後，eGaN FETs 和 ICs 以晶圓級芯片封裝（WLCS）形式提供，具有幾乎為零的內部電感，並且具有零反向恢復，因此在硬切換轉換器中本質上會產生更少的 EMI 能量。

儘管其切換速度顯著更快，eGaN FETs 產生的 EMI 比 MOSFETs 更少。

注意：欲了解更多信息，包括 Würth Elektronik 對電感選擇和放置影響的詳細討論，請參閱我們的 How to GaN 系列視頻：設計基礎：EMI 緩解技術。

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