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          幾個氮化鎵GaN驅(qū)動器PCB設(shè)計必須掌握的要點

          作者: 時間:2023-02-27 來源:安森美 收藏

          NCP51820 是一款 650 V、高速、半橋,能夠以高達(dá) 200 V/ns 的 dV/dt 速率驅(qū)動氮化鎵(以下簡稱“”)功率開關(guān)。之前我們簡單介紹過氮化鎵設(shè)計策略概要,本文將為大家重點說明利用 NCP51820 設(shè)計高性能 半橋柵極驅(qū)動電路必須考慮的 設(shè)計注意事項。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202302/443783.htm


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          本設(shè)計文檔其余部分引用的布線示例將使用含有源極開爾文連接引腳的 GaNFET 封裝。


          VDD 電容


          VDD 引腳應(yīng)有兩個盡可能靠近 VDD 引腳放置的陶瓷電容。如圖 7 所示,較低值的高頻旁路電容(通常為 0.1 μF)應(yīng)與第二個并聯(lián)電容(1 μF)一起放在最靠近 VDD 引腳的位置。


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          圖1. NCP51820 VDD 電容布局和布線


          所有走線須盡可能短而直??梢允褂眠^孔,因為 VDD 電流相對較低。SGND 返回平面對于其屏蔽特性以及讓所有信號側(cè)接地回路保持相同電位很有好處,建議使用。SGND 平面位于第 2 層,使其靠近信號側(cè)元器件和 NCP51820。所有信號側(cè)元器件都放在 SGND 平面上,并通過過孔連接。VDD 引腳和 VDD 電容之間應(yīng)建立直接連接,最好使用過孔作為 SGND 平面的返回連接。


          如圖1所示,兩個 VDD 電容的接地連接并在一起,并通過單個過孔連接到 SGND 平面。如果可能,最好使用不間斷的實心 SGND 接地平面,以免形成接地環(huán)路。建議將“安靜”的 SGND 平面延伸到 NCP51820 下方,以幫助屏蔽 IC,使其不受噪聲影響。注意在圖1中,SGND 平面沒有延伸到 NCP51820 柵極驅(qū)動器輸出引腳下方。這是有意為之,目的是避免噪聲從柵極驅(qū)動 di/dt 峰值拉電流和灌電流耦合到 SGND 平面中。


          VBST 電容和二極管、VDDH 和 VDDL 旁路電容


          VBST 電容應(yīng)盡可能靠近 VBST 引腳放置。VBST 電容返回引腳應(yīng)連接到 GaNFET 的驅(qū)動器 SW 引腳、VDDH 返回引腳和源極開爾文引腳。每個連接都是通過過孔接到 HS 柵極返回平面,如圖2所示。務(wù)必注意,不應(yīng)從功率級開關(guān)節(jié)點接回到 NCP51820。請勿將 VBST 電容連接到功率級開關(guān)節(jié)點?!伴_關(guān)節(jié)點”的唯一連接是通過 HS GaNFET 源極開爾文引腳。


          HS 柵極返回平面的設(shè)計應(yīng)注意,不得與功率級開關(guān)節(jié)點發(fā)生重疊或相互作用。同樣,LS 柵極返回平面的設(shè)計應(yīng)注意,不得與 LS GaNFET 電源地發(fā)生重疊或相互作用。請勿將 SGND 平面放在 VBST 二極管或 VBST 電容下方,因為 VBST 二極管的陰極上存在高 dV/dt,它可能會將噪聲注入 SGND 平面。


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          圖2. NCP51820 VBST 電容和二極管、VDDH 和 VDDL 電容


          VDDH 電容應(yīng)盡可能靠近 VDDH 引腳放置。如圖2所示,VDDH 電容返回引腳應(yīng)通過過孔連接到 HS 柵極返回平面(與 VBST 電容共用一個雙過孔連接)。


          VDDL 電容應(yīng)盡可能靠近 VDDL 引腳放置。如圖2所示,VDDL 電容返回引腳應(yīng)通過過孔連接到 LS 柵極返回平面。VDDL 電容返回引腳必須連接到驅(qū)動器上的 PGND 引腳。VDDL 電容返回引腳通過過孔連接到 LS 柵極返回平面,該平面也通過過孔連接到驅(qū)動器 PGND 引腳。


          由于柵極驅(qū)動電流峰值很高,并且為了降低過孔寄生電感,VBST、VDDH 和 VDDL 需要多個過孔。在此示例中,每個 GaNFET 柵極返回連接使用四個過孔。這是一個合理的折衷考慮,一方面能在 NCP51820 柵極驅(qū)動器返回引腳與 GaNFET 返回引腳之間獲得低阻抗連接,另一方面能保持實心返回平面和良好的屏蔽完整性。如果可能,最好使用導(dǎo)電材料填充的過孔,因為其相關(guān)電感更低。


          柵極驅(qū)動布線


          當(dāng) NCP51820 向 HS GaNFET 柵極提供電流時,該柵極電流來自 VDDH 調(diào)節(jié)器旁路電容中儲存的電荷。如圖3所示,拉電流流經(jīng) HO 驅(qū)動器源極阻抗和柵源電阻,進(jìn)入 GaNFET 柵極。然后,電流從 GaNFET 源極開爾文引腳返回,又回到 VDDH 旁路電容。


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          圖3. 高壓側(cè)柵極驅(qū)動拉電流


          當(dāng) NCP51820 從 HS GaNFET 吸收電流時,該電流來自柵源電容中儲存的能量。如圖4所示,灌電流從 HS GaNFET 柵極流出,經(jīng)過柵極灌電流電阻、HO SINK 驅(qū)動器阻抗和 SW 引腳,回到 GaNFET 源極開爾文引腳。


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          圖4. 高壓側(cè)柵極驅(qū)動灌電流


          當(dāng) NCP51820 向 LS GaNFET 柵極提供電流時,該柵極電流來自 VDDL 調(diào)節(jié)器旁路電容中儲存的電荷


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          圖5. 低壓側(cè)柵極驅(qū)動拉電流


          當(dāng) NCP51820 從 LS GaNFET 吸收電流時,該電流來自柵源電容中儲存的能量。如圖6所示,灌電流從 LS GaNFET 柵極流出,經(jīng)過柵極灌電流電阻、LO SINK 驅(qū)動器阻抗和 PGND 引腳,回到 GaNFET 源極開爾文引腳。


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          圖6. 低壓側(cè)柵極驅(qū)動灌電流


          GaNFET 能以高開關(guān)頻率工作,漏源切換期間會出現(xiàn)高 dV/dt(100 V/ns 及更高)。GaN 的柵源導(dǎo)通閾值較低 (<2 V),因此柵極驅(qū)動拉電流和灌電流路徑必須盡可能保持短而直,以減輕走線寄生電感的不良影響。柵極環(huán)路中的過大寄生電感可能導(dǎo)致超過柵源閾值電壓的柵極振蕩或高頻振鈴。柵極驅(qū)動和返回路徑中的過孔只有在絕對必要時才應(yīng)使用。最好使用導(dǎo)電材料填充的過孔,因為每個這種過孔的電感要小得多。在柵極電阻和相關(guān)布線下方使用載流返回平面,以在拉電流和灌電流路徑正下方提供一個返回路徑,有助于減少環(huán)路電感。


          NCP51820 高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動在內(nèi)部相互隔離。對于高壓端,SW 引腳必須與功率開關(guān)節(jié)點隔離,以防止開關(guān)噪聲注入柵極驅(qū)動路徑,并且它只能連接到高壓側(cè) GaNFET 上的 SK 引腳。源極開爾文引腳和電源引腳之間的開爾文連接是 NCP51820 SW 引腳和功率級開關(guān)節(jié)點之間的唯一電氣連接,如圖3和圖4所示。同樣,低壓側(cè)柵極驅(qū)動的布線應(yīng)使 NCP51820 PGND 引腳與功率級 PGND 隔離,并且只能連接到低壓側(cè) GaNFET 的 SK。設(shè)計目標(biāo)是避免電源 PGND 噪聲注入低壓側(cè)柵極驅(qū)動路徑。在低壓側(cè) GaNFET 內(nèi)部,SK 引腳和電源引腳之間存在開爾文連接,它是 NCP51820 PGND 和電源 PGND 之間的實際連接,如圖5和圖6所示。


          在設(shè)計允許的范圍內(nèi),HS 和 LS 柵極走線的長度應(yīng)盡可能相等。這有助于確保兩個 GaNFET 具有相似的柵極驅(qū)動阻抗。高壓側(cè)和低壓側(cè) GaNFET 交錯對齊具有雙重作用:一是使得柵極驅(qū)動布線接近對稱且等距,二是允許使用更大、更高電流的功率開關(guān)節(jié)點銅觸點。


          最好將 HS 和 LS 返回平面分配至第 2 層,并將它們直接放置在柵極驅(qū)動電阻和走線下方,這樣有助于減少柵極驅(qū)動環(huán)路電感。對于高壓側(cè) GaNFET,由于 VDDH 旁路電容返回引腳和 NCP51820 SW 引腳被 HO 拉電流和 HO 灌電流走線分開,因此可以使用無填充的過孔通過 HS 柵極返回平面連接到 GaNFET 的源極開爾文引腳。建議使用多個過孔以幫助減少過孔電感。請注意,柵極驅(qū)動電流路徑與功率開關(guān)節(jié)點電流路徑隔離,盡可能避免主電流路徑中的噪聲注入柵極驅(qū)動電流路徑。


          對于低壓側(cè) GaNFET,由于 VDDL 旁路電容返回引腳和 NCP51820 PGND 引腳被 LO 拉電流和 LO 灌電流走線分開,因此可以使用無填充的過孔通過 LS 柵極返回平面連接到 GaNFET 的源極開爾文引腳。建議使用多個過孔以幫助減少過孔寄生電感。請注意,柵極驅(qū)動電流路徑與電源 PGND 電流路徑隔離,盡可能避免主電流路徑中的噪聲注入柵極驅(qū)動電流路徑。


          信號接地 (SGND) 和電源接地 (PGND)


          SGND 是所有內(nèi)部控制邏輯和數(shù)字輸入接地。在內(nèi)部,SGND 和 PGND 引腳相互隔離。PGND 用作低壓側(cè)柵極驅(qū)動和返回基準(zhǔn)。


          對于半橋電源拓?fù)浠蛉魏问褂秒娏鳈z測變壓器的應(yīng)用,NCP51820 SGND 和 PGND 應(yīng)在 上連接在一起。在此類應(yīng)用中,建議在 PCB 上通過一條低阻抗短走線將 SGND 和 PGND 引腳連接在一起,并且讓它們盡可能靠近 NCP51820。NCP51820 正下方是建立 SGND 至 PGND 連接的理想位置,如圖7所示。


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          圖7. PGND 至 SGND,0 Ω 單點連接


          對于低功耗應(yīng)用,例如有源箝位反激式或正激式轉(zhuǎn)換器,通常會在低壓側(cè) GaN FET 源極支路中使用一個電流檢測電阻 RCS。在此類應(yīng)用中,NCP51820 PGND 和 SGND 引腳不得在 PCB 上連接,因為 RCS 會通過此連接短路。NCP51820 低壓側(cè)驅(qū)動電路能夠承受 -3.5 V 至 +3.5 V 的共模電壓。大多數(shù)電流檢測電壓信號小于 1 V,因此低壓側(cè)驅(qū)動級很容易“浮動”到電流檢測所產(chǎn)生的電壓 VRCS 以上。如圖8所示,整個低壓側(cè)柵極驅(qū)動浮動到 VRCS 以上。這一點很重要,因為它確保柵極驅(qū)動幅度不會有損失,因此完整的 VDDL 電壓會出現(xiàn)在低壓側(cè) GaN FET 柵源端子。


          按照上文所述布置電路時,連接到 NCP51820 HIN 和 LIN 的控制器 HO/LO 路徑必須返回到控制器 GND 以形成完整電路。因此,NCP51820 SGND 和控制器 GND 必須相連。這是通過使用過孔將 NCP51820 SGND 和控制器 GND 連接到 SGND 平面來實現(xiàn)的,如圖 14 所示。SGND 平面僅用于信號和信號側(cè) VDD 返回,也會充當(dāng)信號的屏蔽層。VRCS 返回引腳還必須連接到控制器 GND,這應(yīng)該使用單條低阻抗走線來完成,該走線應(yīng)盡可能靠近 VRCS 走線(或位于其下方)。這會將功率級 PGND 單點連接到 SGND,并將功率級 PGND 上的高 dV/dt 和 di/dt 與 SGND 平面隔離開來。


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          圖8. LS 柵極返回隔離和 VRCS 連接


          開關(guān)性能驗證


          在利用 NCP51820 驅(qū)動 GaNFET 的半橋功率級布局中使用了本文介紹的 PCB 設(shè)計技術(shù)。


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          圖9. 650 V,18 A,HEMT,GaNFET,350 V,10 APK


          圖9顯示了驅(qū)動兩個 650 V、18 A、90 mΩ GaNFET 的穩(wěn)態(tài)波形。通道 1(黃色)是高壓側(cè)柵源電壓,通道 2(紅色)是低壓側(cè)柵源電壓,通道 3(藍(lán)色)是開關(guān)節(jié)點電壓(低壓側(cè) GaN VDS),通道 4(綠色)是電感電流。高壓側(cè)柵源電壓(通道 1,黃色)顯示存在輕微過沖和欠沖,這是使用高壓探針測量低壓浮動信號(在柵極和功率開關(guān)節(jié)點之間測量)的附帶結(jié)果。通道 2(紅色)顯示了柵源電壓的“更真實”測量結(jié)果,其中低壓側(cè) GaNFET 柵源電壓在柵極和 PGND 之間測得。可以看到,柵極驅(qū)動邊沿非常銳利且干凈。同樣,開關(guān)節(jié)點電壓(通道 3,藍(lán)色)沒有振鈴、過沖或欠沖。


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          圖10. 600 V,26 A,HEMT,GIT,GaNFET,dV/dt = 75 V/ns,320 V,20 APK


          圖10所示波形是驅(qū)動兩個 HEMT、GIT、600 V、26 A、56 mΩ GaNFET 的結(jié)果,其電流能力比圖9中使用的器件要高。要實現(xiàn)高 dV/dt,需要相當(dāng)大的漏極電流 ID。例如,所示測量是在 ID = 20 APK 下進(jìn)行的,導(dǎo)致實測 VDS dV/dt = 75 V/ns。三角形峰值電感電流顯示為純直流,這是進(jìn)行此測量所需的時基 (2 ns/div) 造成的。VSW 波形的 100 V 欠沖是用于顯示高 dV/dt 的測量技術(shù)的結(jié)果,在開關(guān)節(jié)點上并不真正存在。


          在高電壓、高頻率 PCB 設(shè)計中,為了成功運用寬禁帶半導(dǎo)體,需要更好地了解寄生電感和電容的負(fù)面影響。透徹理解電氣返回平面、屏蔽、電流分離、隔離和精心布線的重要性,對于充分發(fā)揮 GaN 技術(shù)的性能優(yōu)勢至關(guān)重要。本文重點說明在利用 NCP51820 驅(qū)動高速電源拓?fù)渲惺褂玫?GaN 功率開關(guān)設(shè)計中,實現(xiàn)成功設(shè)計必須采用的重要 PCB 設(shè)計準(zhǔn)則。這些技術(shù)已通過實測波形得到了驗證,表明其能夠獲得出色的結(jié)果。



          關(guān)鍵詞: 安森美 GaN 驅(qū)動器 PCB

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