2023年SMPS应用中实现HV CoolGaN™最佳运行的实用指南

关于在开关电源（SMPS）应用中实现HV CoolGaN™最佳运行的实用指南 文：Eric Persson，Francesco Di Domenico 关于本文 范围与目的 高压（HV）氮化镓（GaN）晶体管的快速开关能力给PCB的布局带来了挑战。本应用说明讨论了几个重要概念，旨在帮助用户了解PCB的布局挑战，并探讨了几个策略，以帮助用户优化布局，实现最佳的整体电气性能和热性能。 目标受众 对使用高压GaN器件实现最佳性能感兴趣的开关电源（SMPS）设计工程师、PCB布局工程师、技术人员和电子系统开发人员。 Optimizing PCB layout for HV CoolGaN™power Practical guidelines to get the best operation of HV CoolGaN™inswitched-mode power supplies (SMPS) application目录 目录 1引言.................................................................................................................................................32实际问题..........................................................................................................................................43详细了解硬开关中的半桥拓扑..........................................................................................................54互感和部分电感...............................................................................................................................75封装电感：固定值还是取决于布局？...............................................................................................96顶部散热式晶体管封装的优点.......................................................................................................127功率回路布局选项和结果概述.......................................................................................................148栅极驱动布局的注意事项..............................................................................................................159使用驱动法拉第屏蔽.....................................................................................................................1910优化高速HV GaN晶体管性能的主要建议摘要............................................................................23参考文献................................................................................................................................................24修订记录................................................................................................................................................25免责声明................................................................................................................................................26 优化HV CoolGaN™功率晶体管的PCB布局 Practical guidelines to get the best operation of HV CoolGaN™inswitched-mode power supplies (SMPS) application引言 1引言 自从40多年前，第一款开关电源问世以来，PCB的布局就一直是电力电子设计中不可或缺的一环。无论采用哪种晶体管技术，我们必须理解和管理PCB布局产生的寄生阻抗，确保电路正确、可靠地运行，而且不会引起不必要的电磁干扰（EMI）。 尽管现代的宽禁带功率半导体不像早期的硅技术那样，存在严重的反向恢复问题，但其较快的开关转换，会导致其换向dv/dt和di/dt比前代硅技术更加极端。应用说明对PCB布局提供的建议通常是“尽量减小寄生电感”，但实现这一点的最佳方法并不总是清晰明确。此外，并非所有导电路径都需要有尽可能低的电感：例如，与电感器的互连——显然该路径中已经存在电感。 当然，尽可能降低所有互连电感，并同时消除PCB上的所有节点到节点的电容是不可能的。因此，成功的PCB布局的关键在于，理解在开关电子器件中，哪些地方的阻抗是真正重要的，以及如何减轻这种不可避免的阻抗带来的不良后果。 另一个复杂因素是，PCB布局不仅涉及电气互连的优化，通常还需要热路径，后者与电气优化的目标相冲突。即使是像散热片这样的机械结构，在应用于PCB并仅用薄薄的热界面材料（TIM）隔开时，也会表现得像PCB组件的附加电气平面，并与电路的开关节点相互作用。 本应用说明将从解释基本原理开始：开关转换期间到底发生了什么，我们看到的瞬态电压和电流的因果关系是什么，以及电流到底流向何处。当我们思考电流的流向时，我们往往忘记考虑返回路径，而这一点非常重要。另一个重要概念是，如何看待电感：电感通常被视为回路中各个电感元件的累加——但并不一定全都相加：根据源电流和返回电流之间的几何关系，互感可能会改变极性，从而导致相减，而非相加。介绍回路电感、部分电感和互感的概念，将有助于我们解释和理解这种相互作用。 接下来，我们将介绍不同的功率级布局选项，以及每种选项的利弊权衡。这部分的总体目标是，了解尽可能减小电源回路电感的最佳方法。对于垂直安装在PCB上的传统通孔晶体管，晶体管封装的电感独立于PCB，这是因为它们成直角。对于SMT封装，封装电感本身与返回路径的布线方式有关，因此有很多布局选项和替代方案，来提高整体性能。 由于电源回路的设计涵盖了热路径和电气路径优化，因此本文介绍了顶部散热与底部散热晶体管封装的选项和权衡。最后，本文解释了栅极驱动电路的设计、布局和布线，及其“隐藏”的电流路径。 优化HV CoolGaN™功率晶体管的PCB布局 Practical guidelines to get the best operation of HV CoolGaN™inswitched-mode power supplies (SMPS) application实际问题 2实际问题 电力电子电路的物理布局和封装增加了“寄生”元件，包括：寄生电阻、寄生电容和寄生电感。这些寄生元件会导致意外行为和不良后果，例如：电路故障、电磁干扰（EMI）、振荡，甚至在严重时还可能导致交叉传导或“直通”，从而导致晶体管失效。寄生电阻效应是相对容易理解的——特别是相对于直流电流来说。尽量降低寄生电阻的解决方案是，使用更多的铜，来增加总载流横截面。如果是高频交流电流，由于趋肤效应，情况则更加复杂。对于PCB集成磁性元件，则需要仔细思考趋肤效应和邻近效应，不过这不在本文的讨论范围内。 寄生电容的概念也非常简单。特别是在PCB这样的结构中，铜层形成平行板，中间夹着薄薄的介电层。我们可以使用简单的2D工具来估算寄生电容：𝐶≈𝜀0𝜀𝑅(面积/间距)，还可以轻松估算给定层叠的单位面积电容。正如我们将在后文中讨论的，有时电容耦合路径还包含其他器件，而不仅仅是PCB。至于哪个电容值可以接受，这一问题也将在后文进行讨论。 寄生电感则不同：基础电路课程告诉我们，电感是分立元件，像串联电阻一样相加。然而，在更高级的电磁学课程中，我们学到，电感通过互感相互作用，互感可以增加或减少总电感，具体取决于几何形状和电流的流动方向。此外，我们往往无法很好地估算布局的电感值，也无法确定开关电路所需的dI/dt幅度——多大的幅度会产生问题？ 这些布局问题对于电力电子器件而言已不是新鲜事，但具有低电荷且无反向恢复的GaN晶体管，缩短了开关转换时间。快速开关晶体管主要引发了两个相关问题。GaN的高跨导与低栅极电荷相结合，可导致极快的开关(dIDS)⁄dt。由于开关节点的电容迅速放电，快速的（dIDS）⁄dt会导致高峰值电流——由此产生的C (dVDS)⁄dt会增加负载电流。高峰值开关电流结合GaN功率晶体管的低QOSS，导致导通时出现快速(dVDS)⁄dt边缘。 为什么快速dI⁄dt和dV⁄dt问题重重？一方面，快速导通dI/dt可以缩短开关时间，从而减少损耗，因此是可取的。但出现问题的主要原因是，寄生电感元件上出现L dI⁄dt感应电压。这种不良影响通常出现在主换向回路，或栅极驱动回路中。在电源回路中，过压会增加EMI问题，并对晶体管产生高压应力，从而降低可靠性。在栅极回路中，L dI⁄dt感应电压会减去施加的栅极电压，从而减缓开关速度，但也可能导致VGS振铃和过压，甚至振荡行为，从而迅速损坏晶体管。 优化HV CoolGaN™功率晶体管的PCB布局 Practical guidelines to get the best operation of HV CoolGaN™inswitched-mode power supplies (SMPS) application详细了解硬开关中的半桥拓扑 3详细了解硬开关中的半桥拓扑 半桥拓扑广泛应用于电力电子领域，是“图腾柱”无桥功率因数校正（PFC）、全桥DC-DC转换器、LLC转换器、逆变器等的基础。由于GaN具有低输出电荷，没有体二极管恢，因此是半桥拓扑的理想晶体管之选，并且可以在硬开关或软开关中使用。本文将半桥拓扑视为一个双端口网络，如0所示。 电路左侧是代表电压端口，代表直流总线。直流总线电压应保持稳定——尽管在晶体管开关时，会发生电流瞬变。功率传输是向左还是向右并不重要；无论在哪种情况下，总线都应保持稳定。电路的右侧是电流端口。在此处，电感电流仍应保持稳定——尽管开关节点上可能出现电压瞬变。这个区别非常重要，因为它表明寄生电感对左侧回路非常重要——以最大限度地减少晶体管上出现的𝐿𝑑𝐼𝑑𝑡⁄瞬态电压。但右侧已经是一个电感路径——所以，是否在此增加额外的寄生电感并不重要——与预期的电感相比微不足道。 另一个有助于理解开关行为的概念是：强制函数。快速变化的电流会产