氮化鎵GaN驅動器的PCB設計策略概要

Word氮化鎵GaN驅動器的PCB設計策略概要來源：（安森美）

NCP51820是一款650V、高速、半橋驅動器，能夠以高達200V/ns的dV/dt速率驅動（氮化鎵）（以下簡稱“GaN”）功率開關。只有合理設計能夠支持這種功率開關轉換的印刷電路板(（PCB）)，才能實現實現高電壓、高頻率、快速dV/dt邊沿速率開關的全部性能優(yōu)勢。本文將簡單介紹NCP51820及利用NCP51820設計高性能GaN半橋柵極（驅動電路）的PCB設計要點。

NCP51820是一款全功能專用驅動器，為充分發(fā)揮高（電子）遷移率（晶體管）(HEMT)GaNFET的開關性能而設計。與擊穿電壓額定值相似的硅器件相比，制造GaNFET所使用的（芯片）尺寸更小。因此，哪怕與同類最佳的硅（MOSFET）相比，GaNFET的柵極電荷、輸出（電容）和動態(tài)導通電阻也大大降低。此外，GaNFET沒有PN結，因此漏極-源極上沒有本征寄生體（二極管），也就沒有與第三象限操作相關的反向恢復電荷。

GaNFET非常適用于離線半橋功率拓撲、無橋（PFC）和單端有源箝位拓撲。這些功率級常常采用零電壓開關(ZVS)，但也可以在硬開關條件下采用大約400V的電壓工作。所有這些改進使得GaNFET能夠以MHz范圍或接近該范圍的頻率開關，漏源邊沿速率高達100V/ns。能否實現基于GaN的功率級的最優(yōu)性能，在很大程度上取決于設計人員對寄生電路元件（如封裝電感、PCB走線電感、變壓器電容）以及元器件選擇和布局的理解。雖然硅MOSFET功率系統(tǒng)中也存在這些寄生元件，但在GaN功率解決方案中，當受到其中存在的高dV/dt和di/dt激勵時，會有更明顯的響應，因此會產生問題。

NCP51820的MLP無引線功率封裝（圖3）以及行業(yè)中的各種無引線GaNFET功率封裝（圖1和圖2），體現了為充分降低寄生電感所作的設計努力。同樣，必須特別注意PCB設計和元器件布局。為了充分發(fā)揮利用NCP51820驅動高速半橋功率拓撲中使用的GaN功率開關的優(yōu)勢，有一些重要的PCB設計因素需要考慮，本白皮書將重點討論其中的一些重要注意事項。

HEMTGaN和NCP51820封裝說明

大多數GaNFET封裝包含一個專用源極開爾文返回引腳，如圖1中的“SK”所示，其作用只是為了將柵極驅動返回（電流）送回NCP51820。較高電流的漏源引腳通過多條焊線焊接到多個焊盤，不過為了簡明起見，圖1中的簡化示意圖僅顯示了一條焊線連接。NCP51820輸出和GaNFET柵源開爾文引腳之間的接口必須是直接單點連接，該接口特別重要，如含有源極開爾文引腳的GaNFET部分所述。

但是，并非所有GaNFET都包含一個專用源極開爾文返回引腳，例如圖2所示的示例。對于不含源極開爾文返回引腳的GaNFET，為PCB設計中的柵極驅動部分布線時必須特別注意。對于半橋功率級的開關節(jié)點連接，（高壓）側GaNFET的源極直接連接到低壓側GaNFET的漏極，構成一個承載高di/dt負載電流的高dV/dt節(jié)點。不建議直接使用此高壓開關節(jié)點的柵極驅動返回引腳，如不含源極開爾文引腳的GaNFET部分所述。

圖1.含有源極開爾文返回引腳的典型GaN

圖2.不含源極開爾文返回引腳的典型GaN

NCP51820采用4x4mm無引線封裝，所有邏輯電平輸入和（編程）功能都設置在IC右側，與策略性設置在IC其余三側的（電源）功能分開?；谠O計策略安置引腳，以便必要時提供高壓隔離。以下PCB布局部分說明，將充分展現NCP51820引腳分配的優(yōu)勢。

圖3.NCP51820GaN驅動器引腳分配

PCB設計策略概要

使用GaNFET開始PCB設計時，最好根據優(yōu)先級考慮整個布局，如下所列。

1.

必須采用多層（PCB設計），并且按照本文所述適當使用接地/返回平面。高頻率、高電壓、高dV/dt和高di/dt都要求采用多層PCB設計方法。為了實現基于GaN的功率級的全部優(yōu)勢，接地平面必須采取適當的布線或設計，而廉價的單層PCB設計無法做到。

2.開始時，首先將對噪聲最敏感的元器件安置在NCP51820附近。VDD、VDDH和VDDL旁路電容以及VBST電容、電阻和二極管應盡可能靠近各自的引腳。

3.

將DT電阻直接放在DT和SGND引腳之間。

4.

HO和LO、拉電流和灌電流柵極驅動電阻應盡可能靠近GaNFET。

5.

將NCP51820和關聯的元器件移到盡可能靠近GaNFET拉電流和灌電流電阻的位置。

6.如果可能，安置GaNFET時使HO和LO柵極驅動長度盡可能匹配。為了避免高電流和高dV/dt流經過孔，兩個GaNFET最好和NCP51820位于PCB的同一面。

7.

應將HO和LO柵極驅動視為兩個獨立的、相互電隔離的柵極驅動電路。因此，HO和LO各自都需要專用銅觸點(copperland)返回平面，這些平面在第2層上，位于第1層柵極驅動布線正下方。

電源環(huán)路、開關節(jié)點、柵極驅動環(huán)路的正確布線以及使用平面，對于順利完成GaNPCB設計至關重要。這部分內容如有需求，后續(xù)可能會推送新的文章配合插圖對每一項加以說明。對于柵極驅動器，正確的布線和噪聲隔離將有助于減少額外的寄生環(huán)路電感、噪聲注入、振鈴、柵極振蕩和意外導通。目的是設計一個精心考慮了適當接地，同時讓受控電流以最小環(huán)路距離流經直接通路連接的高頻電源PCB。

元器件布局和布線

圖4突出顯示了NCP51820周圍的關鍵元器件布局以及與HS和LSGaNFET的接口。

圖4.NCP51820元器件布局

含有源極開爾文引腳的

GaNFET

許多GaNFET封裝包括一個專用源極開爾文引腳，用于將柵極驅動返回電流與功率開關節(jié)點（高壓側）或電源地（低壓側）出現的較高電流和電壓電平隔離。對于具有專用源極開爾文引腳的GaNFET，柵極驅動布線相當簡單。（推薦）PCB布線設計示例如圖5所示，可以看到高壓側GaNFET柵極驅動返回電流與功率開關節(jié)點電流有效分隔。

圖5.源極開爾文GaNFET布線

不含源極開爾文引腳的

GaNFET

有些GaNFET封裝不含專用源極開爾文引腳，還必須要仔細考慮，將柵極驅動返回電流與功率開關節(jié)點（高壓側）或電源地（低壓側）出現的較高電流和電壓電平隔離。對于沒有專用源極開爾文引腳的GaNFET，應從GaNFET源極接出一段額外的銅蝕刻線，其唯一作用是將柵極驅動返回電流送回NCP51820。盡管不如專用開爾文引腳連接那么有效，但這種布線技術仍然可以在柵極驅動電流和功率開關節(jié)點之間實現可接受程度的分離。推薦PCB布線設計示例如圖6所示，可以看到高壓側G