氮化镓场效应晶体管版图设计的考虑因素

  栅极驱动的环路电感
  最大可允许的6V栅极电压,只比推荐的4.5V驱动电压高出1.5V。这个限制要求精确的栅极驱动电源,以及限制氮化镓场效应晶体管和栅极驱动器之间的电感,因为电感会造成栅极上的电压过冲的情况。虽然一些过冲是可以接受的,但我们也可以完全避免过冲现象,只需将栅极电感值限制在:
4x(RG+Rsource)2xCGS≥LG      (1)
  其中:Rsource代表栅极驱动器的源极电阻,而LG是栅极驱动器与氮化镓场效应晶体管之间的环路电感。因此针对给定的栅极环路电感,可以使用一个最小的源极电阻值来防止VGS超过其最大限制的值。
 
  共源电感(CSI)的影响
  200V或以下的氮化镓场效应晶体管采用LGA封装,其电感及阻抗小至可以忽略不计,我们可以把共源电感作为版图的考虑因素,而不是作为一个栅极驱动器的要求。但实际的情况并非如此简单。
 
  我们增加共源电感,这将导致在di/dt变化期间,在电感上产生与栅极驱动电压相反的电压,进而降低器件的效率,并增加它的导通和关断时间。因此,为了取得最优异的开关性能,关键就是把共源电感最小化。矛盾的是,就算设计师接受开关损耗有所增加的代价,增加了共源电感会降低米勒导通的可能性。这是因为在互补式器件的“硬”导通时,共源电感切换时的di/dt变化率将导致极出现负电压,有助于器件在部分电压转换期间保持关断的状态。还有需要注意的是共源电感、栅极电容和栅极驱动的下拉环路现在形成了一个LCR谐振电路,我们需要抑制这个谐振问题,以避免在栅极上出现形同正电压振铃的现象。这种振铃现象可能在接近末端,甚至在电压转换完成后再次使器件导通。虽然增加栅极驱动的漏极电阻可抑制这种LCR谐振电路,代价却是增加米勒导通的敏感度,在谐振频率点上,如果我们加入具电阻特性(损耗)的铁氧体磁珠,我们可以取得相同效果之余,其米勒导通的敏感度也不会增加那么多。图1展示了相关的电路图,图2展示了其波形图。
等效功率器件的局部电路展示“硬”开关di/dt的影响 
图1 等效功率器件的局部电路展示“硬”开关di/dt的影响
在互补式器件“硬”开关时,共源电感振铃现象的影响波形图 
图2 根据图1的电路,在互补式器件“硬”开关时,共源电感振铃现象的影响波形图
 
  总括来说,相比硅器件,共源电感对氮化镓场效应晶体管来说更加重要,因为氮化镓器件具有更高的di/dt和dv/dt,我们应该仔细考虑版图设计,把共源电感减至最小。 

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