在當今迅速發展的世界中，我們總是在尋找捷徑，尋找“復制粘貼”的機會，以在短時間內完成任務。盡管GaN功率晶體管相對較新，但設計的“經驗法則”已經建立并證明能夠滿足快速上市的目標。多年來，成功設計的七個步驟逐漸形成并得到驗證，并通過持續更新的文檔和客戶培訓得到了支持。

　　本文概述了這七個步驟，并提供了應用說明的鏈接，以向用戶和客戶傳達優化GaN設計所需的最新信息。

　　第一步 - 柵極驅動選擇

　　驅動GaN增強型高電子遷移率晶體管(E-HEMTs)的柵極與驅動硅(Si)mosfet的柵極有很多相似之處，但也有一些有益的區別。

　　驅動GaN E-HEMTs并不會排除任何流行的硅柵極驅動器，它們只是讓GaN的使用變得更加簡單和高效。這意味著高電壓(>600V)的準諧振和固定頻率的反激式適配器、充電器及其他低功率AC/DC控制器可以用于不同的LLC和功率因數校正(PFC)配置中。

圖1

　　簡單的電路為使用硅控制器驅動GaN器件提供了過渡能力。對于單個GaN器件，隔離式負VGS(OFF) EZDrive?電路是一種低成本、簡單的方法，可以使用12V驅動器驅動6V的GaN晶體管，適用于任何帶有單極、雙極或高側/低側驅動器的控制器或驅動器。一款新驅動器Heyday HEY1011在GaN設計中提供了顯著的尺寸減少和電路板空間節省。它能夠消除引導電源和隔離電源，也是市場上體積最小的隔離柵極驅動解決方案。圖1展示了一個使用HEY1011與集成電源軌的評估板。

　　第二步 - 拓撲和原理圖審查

　　設計師需要不斷關注最新產品，因為使用可用的兼容控制器可以簡化GaN設計師的工作。根據所需拓撲，例如臨界導通模式(CrM)或連續導通模式(CCM)，可能已經存在合適的控制器，并且是評估工具的一部分。例如，onsemi的NCP1680 CrM模擬無橋樁(BTP)PFC控制器在圖2中顯示的300W GaN評估演示板中使用，取得了高效率。如圖所示，在滿載的最高(265V)電壓下實現了99%的效率(另外，該控制器的設計還包括在輕載下更高效運行的特性)。

　　第三步 - 功率損耗計算

　　應用簡單的計算可以讓新手或經驗豐富的GaN設計師更容易適應新技術。例如，在應用說明“使用LTSpice的GaN開關損耗仿真”(GN008)中，使用LTSpice中的半橋雙脈沖測試電路作為測試平臺，評估不同電氣參數下的開關性能。文中將模擬的開關損耗與實驗室測量進行比較，以驗證過程的準確性和適用性。此外，“GaNPX?封裝的熱行為建模”(GN007)說明了如何使用GaN產品頁面上的RC熱模型，通過SPICE進行詳細的熱仿真。應用說明描述了如何在SPICE仿真中使用四層GaNPX封裝的RC模型，并使用一個簡單的升壓轉換器電路來驗證RC熱模型的功能。

　　第四步 - 布局考慮

　　由于GaN E-HEMTs的開關速度遠快于Si MOSFETs，因此在印刷電路板(PCB)布局設計中需要適當的工程考慮，以最小化寄生電感問題。具體而言，寄生電感會導致更高的過沖電壓、振鈴/振蕩和電磁兼容性(EMC)問題，這可能會導致對E-HEMTs的過度應力。

　　應用說明“與GaN EHEMTs的PCB布局考慮”(GN009)提供了使用嵌入式GaNPX封裝E-HEMTs設計的PCB布局最佳工程實踐的概述。為以下四種電路配置引入了布局指南：

　　單個GaN E-HEMT的隔離柵驅動電路

　　并聯GaN E-HEMT的隔離柵驅動電路

　　半橋引導柵驅動電路

　　EZDrive電路

　　最佳的電路板布局結合低封裝電感，使GaN E-HEMTs能夠表現出最佳的開關性能。

　　第五步 - 電路測試驗證

　　GaN E-HEMTs的寄生參數非常低。然而，如果不加以注意，測試設備和測量技術引入的寄生元件，尤其是在高頻操作時，可能會掩蓋GaN器件的參數，導致測量結果錯誤。

　　應用說明“高速GaN E-HEMTs的測量技術”(GN003)解釋了測量技術的重要性，并在多個領域提供了示例。此外，它還討論了用于表征硬開關開啟和關閉的雙脈沖開關測試，包括開關測試設置和測試結果示例。GaN系統在每個設計和每個客戶支持中定期進行雙脈沖測試，這是驗證良好布局的最佳方法。

　　對于開關能量，描述了Eon/Eoff測量探針技術，以提高VGS、VDS和IDS的測量精度，包括GaN E-HEMTs的開關損耗分布和Eqoss測量示例。

　　第六步 - 熱設計優化

　　良好的熱設計對像GaN晶體管這樣的功率處理器件至關重要。通過使用絕緣金屬基板(IMS)而不是FR4 PCB，可以提高熱能力。與FR4 PCB的熱傳導相比，IMS設計可減少高功率應用中的散熱器體積。圖3來自GN002《GaNPX?器件的熱設計》，描繪了不同(不斷改善的)冷卻技術，包括頂部冷卻。如圖所示，使用高性能GaN器件(具有更低的RθJA和更低的導通電阻以及并聯器件)可以實現更低的功率損耗和更高的功率操作。此外，SPICE(LTSPICE/PSPICE)和PLECS模型可以幫助系統設計師優化熱和電氣性能。

圖3

　　新的IEC 62368-1基于危害的產品安全標準(替代IEC 60950)降低了最大接觸溫度要求，使傳統熱設計面臨新的挑戰。雖然通過水平散熱器可以改善熱傳導，但垂直熱傳導變得至關重要。優化的熱堆疊可以包括一種先進的0.2毫米熱界面材料(TIM)、3毫米銅屏蔽和5毫米銅塊，以實現最低的RθJA。

　　第七步 - 電磁干擾(EMI)避免

　　電力電子中的長期問題——如果在設計中沒有妥善處理——就是EMI和EMC。一般而言，GaN技術由于零反向恢復而有助于減少EMI，但控制驅動參數對控制EMI至關重要。此外，推薦使用銅屏蔽以滿足EMI合規性。然而，布局是最重要的減少EMI的方法，這最后一步重申了第四步中的考慮。

　　兩個參考設計突出了避免EMI問題的重要電路方面。一個是65W Type-C USB電源傳輸(PD)準諧振(QR)充電器，解決了CISPR22導電和輻射B類合規的EMI問題。第二個參考設計是一個100W PFC QR USB PD充電器，配有兩個Type-C接口，EMI能力可通過EN55032 B類測試，具有超過6dB的余量。

浮思特科技專注功率器件領域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。