如何使用氮化鎵：氮化鎵場效應晶體管的驅動器和版圖的考慮因素

我們在之前的文章討論了氮化鎵場效應晶體管的優勢，以及它具備可實現更高效率和更快開關速度的潛力，為硅MOSFET器件所不可能實現的。本章將探討如何利用氮化鎵場效應晶體管并考慮驅動器和版圖方面的要求，以提高工程師的設計性能。

驅動器的考慮因素

氮化鎵場效應晶體管與傳統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。為了實現氮化鎵場效應晶體管的最高性能，我們建議使用4 V至5 V的驅動器，如圖1所示。由于氮化鎵器件具較低的最高柵極電壓，因此建議使用可調控電壓的柵極驅動電路，以確保安全操作。我們與德州儀器公司合作開發一系列驅動器，旨在簡單及可靠地解決驅動氮化鎵晶體管一直以來所面對的挑戰。這些驅動器系列可幫助設計師在大部分的應用中易于采用氮化鎵場效應晶體管。

圖1: 在不同溫度下氮化鎵場效應晶體管的導通阻抗與柵極電壓的關系

版圖的考慮因素

由于具備高頻、低導通阻抗及低封裝寄生電感等性能，因此氮化鎵場效應晶體管具有目前硅(Si)技術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關速度及更低封裝寄生電感，印刷電路板的版圖會影響轉換器的性能。如圖2a所示，共源電感(LS)與高頻功率環路電感(LLOOP)對轉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。為了展示高頻環路電感對電路性能的影響，圖2b展出在0.4 nH至2.9 nH環路電感的實驗性原型的效率。從圖2可以看到，在基于氮化鎵場效應晶體管的設計提高印刷電路板版圖中的環路電感可以降低效率達差不多5%。

圖2： 1)具寄生電感的同步降壓轉換器 2) 在具有相同共源電感的設計，高頻環路電感對效率的影響 VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=150 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG)

氮化鎵場效應晶體管的極高開關速度的另一個影響是與較慢、具更高寄生電感的硅MOSFET器件相比，就算在少高頻環路電感時，氮化鎵晶體管在電路中會發生電壓過沖的現象。只要降低高頻環路電感就可以減少過沖、提升器件的輸入電壓能力及減少EMI。 圖3比較了兩個基于氮化鎵場效應晶體管的設計的同步整流器的漏極至源極電壓的波形圖：第一個設計具1.6 nH值的高頻環路電感時，100%輸入電壓為過沖電壓;第二個設計具0.4 nH值的高頻環路電感時，只有25%輸入電壓為過沖電壓。

圖3： 兩個設計的開關節點波形圖： 設計一: LLOOP≈1.6 nH 設計二： 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，它是高頻功率環路及柵極驅動器環路的電感。印刷電路板版圖會增加共源電感，要把共源電感減至最低，建議設計柵極驅動器環路及高頻功率環路很少相互影響的版圖。圖4a是一個版圖范例，紅色為柵極驅動器環路，黃色代表高頻環路，只會在氮化鎵場效應晶體管旁邊交流，而氮化鎵場效應晶體管的封裝可以把共源電感最低減至超低內部封裝電感。

在高頻功率環路，大部分的轉換器設計使用兩種傳統設計印刷電路板版圖的方法，分別為橫向及直向高頻功率環路設計。圖4a是橫向功率環路設計的頂視圖，黃色為高頻環路，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。所有元件應該緊密排列以減低高頻環路的物理尺寸。圖4b展示了直向功率環路設計的側視圖，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，從而把環路的物理尺寸縮至最小。這個版圖被視為一個直向功率環路，因為功率環路必需由輸入電容及器件通過印刷電路板的通孔作直向連接才可以完成。這兩個設計有好處也有壞處，我們在“優化版圖白皮書”已作詳細討論。