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技术专题
GaN晶体管电路的布局注意事项
随着用MOSFET使GaN器件的价格正常化，以及具有不同额定电压和功率处理能力的各种器件的扩展，在主流应用中实现了更广泛的接受，例如计算机的DC-DC转换器，机器人，电动自行车和踏板车。早期采用者的经验为后来进入GaN世界的参与者提供了更快进入生产的道路。
本文是讨论三个主题的系列文章的第一篇，这三个主题可以帮助电源系统设计人员以最低的成本获得最大的GaN基设计优势。这三个主题是：（1）布局注意事项；（2）散热设计，可最大程度地处理功率；（3）降低成本的EMI降低技术。
GaN的高开关速度带来的寄生电感
在比老化的MOSFET更高的频率下使用GaN能够引起人们对寄生电感的衰减效应的关注在电源转换电路[1]中。这种电感阻碍了GaN极快开关功能的全部优势的提取，同时减少了EMI的产生。对于大约80％的功率转换器中使用的半桥配置，寄生电感的两个主要来源是：（1）由两个电源开关器件以及高频总线电容器形成的高频功率环路，以及（2）由栅极驱动器，功率器件和高频栅极驱动电容器组成的栅极驱动环路。共源极电感（CSI）由环路电感的一部分定义，该部分对栅极环路和电源环路都通用。如图1中的箭头所示。
图1：半桥功率级的示意图，其中功率和栅极驱动环路以及虚线所示的公共源极电感
最小化寄生电感
当考虑高速功率器件的布局时，所有寄生电感的最小化至关重要。不可能相等地减少电感的所有分量，因此，必须按重要性顺序解决，从公共源电感开始，然后是电源环路电感，最后是栅极环路电感。
对于高压PQFN（功率四方扁平无引线）MOSFET封装，众所周知，需要单独的栅极返回源引脚，并且也已在高压GaN PQFN结构中实现[2,3]。当这些单独的引脚可用时，栅极驱动环路和电源环路在封装内是分开的，并且在外部连接时必须格外小心。
共源极电感的降低是以外部源极电感的代价为代价的，该外部源极电感被推到栅极环路之外。一旦移除了公共源电感，该外部电感就会由于设备速度的提高而导致接地反弹的增加[4]。
增强型GaN晶体管采用晶圆级芯片规模封装（WLCSP），其端子采用焊盘栅格阵列（LGA）或球形栅格阵列（BGA）格式。其中一些器件没有提供单独的栅极返回源引脚，而是提供了许多非常低的电感连接，如图2所示。这些封装的总封装电感通常小于100 pH。这大大减少了电感的所有分量，从而减少了所有与电感有关的问题。通过分配最靠近栅极的源极焊盘作为栅极环路和电源环路的“星形”连接点，这些LGA和BGA封装可以与提供有专用栅极返回引脚或栅条的方式相同。
图2：LGA（a）和BGA（b）格式的GaN晶体管显示了器件电流流动的方向，该方向使共源电感最小
尽管最小化组成环路的各个元件的电感（即电容器ESL，器件引线电感和PCB互连电感）很重要，但设计人员还必须专注于最小化总环路电感。由于回路的电感由存储在其中的磁能决定，因此可以通过使用相邻导体之间的耦合来感应磁场自抵消，来进一步减小总回路电感。
通过将漏极和源极端子交织在设备的一侧，会产生多个带有相反电流的小环路，这些环路会通过磁场自抵消而降低总体电感。这不仅适用于图3（a）所示的PCB走线，而且适用于图3（b）所示的垂直焊料连接和层间连接过孔。通过形成多个小的磁场消除环路，总磁能和电感都将大大降低[5]。
图3：安装在PCB上的LGA GaN晶体管显示交流电流（a）顶视图（b）侧视图
通过将漏极电流和源极电流从中心线引出到器件的两侧，并复制磁场消除效果，可以进一步减小局部环路电感。这通过减少每个导体中的电流来工作，从而进一步降低了存储的能量，并且较短的电流路径产生了较低的电感。
常规电源回路设计
为了了解如何在实际布局中实现功率环路电感最小化，提出了两种传统的功率环路方法进行比较。这两种方法分别称为“横向”和“垂直”。
横向电源回路设计
横向布局将输入电容器和器件紧密放置在PCB的同一侧，以最大程度地减小高频电源环路的面积。此设计的高频环路包含在PCB的同一侧，并被视为横向电源环路，因为电源环路在单个PCB层上横向流动。使用LGA晶体管设计的横向布局示例如图4所示。该图中突出显示了高频环路。
图4：基于LGA GaN晶体管的转换器的常规横向功率环路：（a）顶视图（b）侧视图
虽然最小化环路的物理尺寸对于降低寄生电感很重要，但内层的设计也很关键。对于横向电源环路设计，第一内层用作“屏蔽层”。该层在屏蔽内部电路免受高频功率环路产生的磁场的影响方面起着关键作用。电源回路产生磁场，该磁场在屏蔽层中感应出电流，该电流沿与电源回路相反的方向流动。屏蔽层中的电流会产生磁场，以抵消原始电源环路的磁场。最终结果是消除了磁场，从而消除了寄生功率环路电感。
完整的屏蔽层紧邻电源环路会产生横向布局中最低的电源环路电感。这种方法在很大程度上取决于从电源环路到第一内层[6]中包含的屏蔽层的距离。只要最上面的两层非常接近，高频环路电感就几乎不依赖于总板厚