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技術專題
GaN晶體管電路的布局注意事項
隨著用MOSFET使GaN器件的價格正常化，以及具有不同額定電壓和功率處理能力的各種器件的擴展，在主流應用中實現了更廣泛的接受，例如計算機的DC-DC轉換器，機器人，電動自行車和踏板車。早期采用者的經驗為后來進入GaN世界的參與者提供了更快進入生產的道路。
本文是討論三個主題的系列文章的第一篇，這三個主題可以幫助電源系統設計人員以最低的成本獲得最大的GaN基設計優勢。這三個主題是：（1）布局注意事項；（2）散熱設計，可最大程度地處理功率；（3）降低成本的EMI降低技術。
GaN的高開關速度帶來的寄生電感
在比老化的MOSFET更高的頻率下使用GaN能夠引起人們對寄生電感的衰減效應的關注在電源轉換電路[1]中。這種電感阻礙了GaN極快開關功能的全部優勢的提取，同時減少了EMI的產生。對于大約80％的功率轉換器中使用的半橋配置，寄生電感的兩個主要來源是：（1）由兩個電源開關器件以及高頻總線電容器形成的高頻功率環路，以及（2）由柵極驅動器，功率器件和高頻柵極驅動電容器組成的柵極驅動環路。共源極電感（CSI）由環路電感的一部分定義，該部分對柵極環路和電源環路都通用。如圖1中的箭頭所示。
圖1：半橋功率級的示意圖，其中功率和柵極驅動環路以及虛線所示的公共源極電感
最小化寄生電感
當考慮高速功率器件的布局時，所有寄生電感的最小化至關重要。不可能相等地減少電感的所有分量，因此，必須按重要性順序解決，從公共源電感開始，然后是電源環路電感，最后是柵極環路電感。
對于高壓PQFN（功率四方扁平無引線）MOSFET封裝，眾所周知，需要單獨的柵極返回源引腳，并且也已在高壓GaN PQFN結構中實現[2,3]。當這些單獨的引腳可用時，柵極驅動環路和電源環路在封裝內是分開的，并且在外部連接時必須格外小心。
共源極電感的降低是以外部源極電感的代價為代價的，該外部源極電感被推到柵極環路之外。一旦移除了公共源電感，該外部電感就會由于設備速度的提高而導致接地反彈的增加[4]。
增強型GaN晶體管采用晶圓級芯片規模封裝（WLCSP），其端子采用焊盤柵格陣列（LGA）或球形柵格陣列（BGA）格式。其中一些器件沒有提供單獨的柵極返回源引腳，而是提供了許多非常低的電感連接，如圖2所示。這些封裝的總封裝電感通常小于100 pH。這大大減少了電感的所有分量，從而減少了所有與電感有關的問題。通過分配最靠近柵極的源極焊盤作為柵極環路和電源環路的“星形”連接點，這些LGA和BGA封裝可以與提供有專用柵極返回引腳或柵條的方式相同。
圖2：LGA（a）和BGA（b）格式的GaN晶體管顯示了器件電流流動的方向，該方向使共源電感最小
盡管最小化組成環路的各個元件的電感（即電容器ESL，器件引線電感和PCB互連電感）很重要，但設計人員還必須專注于最小化總環路電感。由于回路的電感由存儲在其中的磁能決定，因此可以通過使用相鄰導體之間的耦合來感應磁場自抵消，來進一步減小總回路電感。
通過將漏極和源極端子交織在設備的一側，會產生多個帶有相反電流的小環路，這些環路會通過磁場自抵消而降低總體電感。這不僅適用于圖3（a）所示的PCB走線，而且適用于圖3（b）所示的垂直焊料連接和層間連接過孔。通過形成多個小的磁場消除環路，總磁能和電感都將大大降低[5]。
圖3：安裝在PCB上的LGA GaN晶體管顯示交流電流（a）頂視圖（b）側視圖
通過將漏極電流和源極電流從中心線引出到器件的兩側，并復制磁場消除效果，可以進一步減小局部環路電感。這通過減少每個導體中的電流來工作，從而進一步降低了存儲的能量，并且較短的電流路徑產生了較低的電感。
常規電源回路設計
為了了解如何在實際布局中實現功率環路電感最小化，提出了兩種傳統的功率環路方法進行比較。這兩種方法分別稱為“橫向”和“垂直”。
橫向電源回路設計
橫向布局將輸入電容器和器件緊密放置在PCB的同一側，以最大程度地減小高頻電源環路的面積。此設計的高頻環路包含在PCB的同一側，并被視為橫向電源環路，因為電源環路在單個PCB層上橫向流動。使用LGA晶體管設計的橫向布局示例如圖4所示。該圖中突出顯示了高頻環路。
圖4：基于LGA GaN晶體管的轉換器的常規橫向功率環路：（a）頂視圖（b）側視圖
雖然最小化環路的物理尺寸對于降低寄生電感很重要，但內層的設計也很關鍵。對于橫向電源環路設計，第一內層用作“屏蔽層”。該層在屏蔽內部電路免受高頻功率環路產生的磁場的影響方面起著關鍵作用。電源回路產生磁場，該磁場在屏蔽層中感應出電流，該電流沿與電源回路相反的方向流動。屏蔽層中的電流會產生磁場，以抵消原始電源環路的磁場。最終結果是消除了磁場，從而消除了寄生功率環路電感。
完整的屏蔽層緊鄰電源環路會產生橫向布局中最低的電源環路電感。這種方法在很大程度上取決于從電源環路到第一內層[6]中包含的屏蔽層的距離。只要最上面的兩層非常接近，高頻環路電感就幾乎不依賴于總板厚