應用指南導讀 | 優化 HV CoolGaN™ 功率電晶體的 PCB 佈局

來源: 英飛凌工業半導體

作為寬禁帶半導體，氮化鎵（GaN）以其前所未有的速度、效率和可靠性迅速成為現代功率電子領域的新寵。然而，GaN 器件的高速開關行為也對 PCB 佈局設計提出了巨大挑戰。因此想要充分發揮 GaN 的潛力，我們必須理解和管理 PCB 佈局產生的寄生阻抗，確保電路正常、可靠地運行，並且不會引起不必要的電磁干擾（EMI）。

《優化 HV CoolGaN™ 功率電晶體的 PCB 佈局》應用指南，主要討論了在使用高壓氮化鎵（GaN）功率電晶體時，如何通過優化 PCB 佈局來提升整體電氣性能和熱性能。以下是檔的核心內容提煉：

1. 引言

• 高壓氮化鎵（HV CoolGaN™）電晶體：快速開關能力給 PCB 佈局帶來挑戰。

• PCB 佈局優化目標：確保電路正確、可靠運行，避免電磁干擾（EMI）。

• 關鍵概念：理解寄生阻抗、電流流動路徑的重要性。

2. 實際問題

• 寄生元件：包括寄生電阻、寄生電容和寄生電感，可導致電路故障、EMI、振盪等問題。

• 快速開關問題：GaN 電晶體的快速開關導致高峰值電流和 dv/dt、di/dt 值，增加佈局挑戰。

3. 半橋拓撲

• 半橋拓撲應用：電力電子領域廣泛應用，適合 GaN 電晶體。

• 強制函數概念：電流被視為強制函數，電壓變化是電流變化的效應。

4. 互感和部分電感

• 電感概念：包括總電感、部分電感和互感，互感可正可負，影響總電感。

• 佈局影響：PCB佈局中的電流路徑和返回路徑的幾何關係決定互感大小。

5. 封裝電感

• 封裝電感值：直插式封裝電感相對固定，表面貼裝封裝電感取決於佈局。

• 優化佈局：通過優化電流返回路徑降低封裝電感。

6. 頂部散熱式電晶體封裝

• 優點：無需熱通孔，降低成本，允許獨立優化電氣佈局。

• 熱介面材料：用於連接散熱器和電晶體，提供熱路徑。

7. 功率回路佈局選項

• 不同佈局比較：包括 TO-247 封裝、表面貼裝 TOLL 佈局等。

• 過電壓評估：通過估算不同佈局下的過電壓，選擇合適的佈局。

8. 柵極驅動佈局

• 柵極驅動回路：低阻抗設計，避免振鈴、過沖等問題。

• 佈局挑戰：優化柵極驅動佈局與電源回路佈局之間的權衡。

9. 驅動法拉第遮罩

• 遮罩作用：減輕柵極驅動電路與匯流排接地平面之間的共模電容影響。

• 實施方法：在 PCB 背面添加地平面，隔離柵極驅動電路與匯流排接地電容。

10. 主要建議摘要

• 考慮電流流動路徑：包括寄生元件和返回路徑。

• 優化佈局電感：利用薄電介質 PCB 層，減少佈局電感。

• 封裝與散熱：選擇頂部冷卻封裝，優化電氣和熱路徑。

• 柵極驅動佈局：使用平面作為返回路徑，避免電容電流干擾。

• 保持開關節點緊湊：降低電容和輻射。

文件最後提供了參考文獻和修訂記錄，並強調了使用文件內容時的注意事項和免責聲明。

整體而言，該文件為使用 HV CoolGaN™ 功率晶體管的工程師提供了詳細的 PCB 佈局優化指南，旨在幫助他們實現最佳的整體電氣性能和熱性能。

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