技術洞察 | SMPS 應用中實現 HV CoolGaN™ 最佳運行的實用指南

來源: 英飛凌官方微信

高壓（HV） 氮化鎵（GaN）電晶體的快速開關能力為 PCB 的佈局帶來了挑戰。本文通過解釋幾個重要概念，幫助用戶了解 PCB 的佈局挑戰，也將探討幫助用戶優化佈局、實現最佳的整體電氣性能和熱性能的策略。

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自從 40 多年前，第一款開關電源問世以來，PCB 的佈局就一直是電力電子設計中不可或缺的一環。無論採用哪種電晶體技術，我們必須瞭解並管理 PCB 佈局所產生的寄生阻抗，確保電路正確、可靠地運行，而且不會造成不必要的電磁干擾（EMI）。

儘管現代的寬能隙功率半導體不像早期的矽技術那樣，存在嚴重的反向恢復問題，但其較快的開關轉換，會導致其換向 dv/dt 和 di/dt 比前代矽技術更加極端。應用說明對 PCB 佈局提供的建議通常是“盡量減少寄生電感”，但實現這一點的最佳方法並不總是清晰明確。此外，並非所有導電路徑都需要有盡可能低的電感：例如，與電感器的互連 —— 顯然該路徑中已經存在電感。

當然，盡可能降低所有互連電感，並同時消除 PCB 上的所有節點到節點的電容是不可能的。因此，成功的 PCB 佈局的關鍵在於，理解在開關電子元件中，哪些地方的阻抗是真正重要的，以及如何減輕這種不可避免的阻抗帶來的不良後果。

另一個複雜因素是，PCB 佈局不僅涉及電氣互連的優化，通常還需要熱路徑，後者與電氣優化的目標相衝突。即使是像散熱片這樣的機械結構，在應用於 PCB 並僅用薄薄的熱界面材料（TIM）隔開時，也會表現得像 PCB 組件的附加電氣平面，並與電路的開關節點相互作用。

文章結構

▴ 本應用說明將從解釋基本原理開始：開關轉換期間到底發生了什麼，我們看到的瞬態電壓和電流的因果關係是什麼，以及電流到底流向何處。當我們思考電流的流向時，我們往往忘記考慮返迴路徑，而這一點非常重要。另一個重要概念是，如何看待電感：電感通常被視為迴路中各個電感元件的累加 —— 但不一定全都相加：根據源電流和返回電流之間的幾何關係，互感可能會改變極性，從而導致相減，而非相加。介紹回路電感、部分電感和互感的概念，將有助於我們解釋和理解這種相互作用。

▴ 接下來，我們將介紹不同的功率級佈局選項，以及每種選項的優缺點權衡。這部分的總體目標是，了解盡可能減少電源迴路電感的最佳方法。對於垂直安裝在 PCB 上的傳統通孔電晶體，電晶體封裝的電感獨立於 PCB，這是因為它們成直角。對於SMT封裝，封裝電感本身與返迴路徑的佈線方式有關，因此有許多佈局選項和替代方案，以提高整體性能。

▴ 由於電源迴路的設計涵蓋了熱路徑和電氣路徑優化，因此本文介紹了頂部散熱與底部散熱晶體管封裝的選項和權衡。

▴ 最後，本文解釋了閘極驅動電路的設計、佈局和佈線，及其「隱藏」的電流路徑。

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