想要实现高效氮化镓设计有哪些步骤？

　　第 1 步 – 栅极驱动选择
　　驱动GaN增强模式高电子迁移率晶体管（E-HEMT）的栅极与驱动硅（Si）MOSFET的栅极有相似之处，但有一些有益的差异。
　　驱动氮化镓E-HEMT不会消除任何流行的硅栅极驱动器;它们只是使GaN更容易和更有效地使用。这意味着高压 （》600V） 准谐振和固定频率反激式适配器、充电器和其他低功耗 AC/DC 控制器可用于 GaN 设计中的不同 LLC 和功率因数校正 （PFC） 配置。
　　简单的电路提供了将硅控制器用于GaN器件的过渡能力。对于单个氮化镓器件，隔离式负 V一般事务（关闭）EZDrive®电路是一种低成本、简单的方法，可以使用12V驱动器驱动6V GaN晶体管，用于任何具有单侧、双侧或高边/低边驱动器的控制器或驱动器。新驱动器 Heyday HEY1011 在 GaN 设计中显著减小了尺寸并节省了电路板空间。凭借其消除自举和隔离电源的能力，它也是市场上最小的隔离式栅极驱动解决方案。图1所示为使用集成电源轨的HEY1011评估板。
　　
　　图1.GS EVB HB 66516B HD是一款650 V GaN E模式半桥评估板，采用HEY1011 L12C栅极驱动解决方案
　　第 2 步 – 拓扑和原理图审查
　　设计人员需要不断寻找最新产品，因为使用可用的兼容控制器可以简化GaN设计人员的任务。根据所需的拓扑结构，例如临界导通模式（CrM）或连续导通模式（CCM），合适的控制器可能已经存在，并且是评估工具的一部分。例如，图2所示的300W GaN评估演示板中使用的安森美NCP1680 CrM模拟无桥图腾柱（BTP）PFC控制器可实现高效率。如图所示，在最高电压（265V）下满载时效率达到99%（此外，控制器的设计包括在轻负载下更高效运行的功能）。
　　
　　图2.与升压型 PFC 拓扑相比，BTP PFC 控制器具有热和功率密度优势
　　第 3 步 – 功率损耗计算
　　应用简单的计算可以使新手或经验丰富的GaN设计人员更习惯使用新技术。例如，在应用笔记“使用LTSpice的GaN开关损耗仿真”（GN008）中，LTSpice中的半桥双脉冲测试电路被用作测试台，用于评估不同电气参数下的开关性能。在本文中，将模拟的开关损耗与实验室测量结果进行了比较，以验证该过程的准确性和适用性。此外，“GaNPX®封装的热行为建模”（GN007）解释了如何使用GaN产品页面上的RC热模型来使用SPICE执行详细的热仿真。应用笔记介绍了如何在SPICE仿真中使用四层GaNPX封装的RC模型。使用简单的升压转换器电路来验证RC热模型的功能。
　　步骤 4 – 布局注意事项
　　由于GaN E-HEMT的开关速度比硅MOSFET快得多，因此它们需要在印刷电路板（PCB）布局设计中考虑适当的工程设计，以最大程度地减少寄生电感问题。具体而言，寄生电感会导致更高的过冲电压、振铃/振荡和电磁兼容性（EMC）问题，从而导致E-HEMT过应力。
　　应用笔记“GaN EHEMT的PCB布局考虑因素”（GN009）概述了使用嵌入式GaNPX封装E-HEMT进行PCB布局设计的最佳工程实践。介绍了以下四种电路配置的布局指南：
　　用于单GaN E-HEMT的隔离式栅极驱动器电路
　　用于并联氮化镓E-HEMT的隔离式栅极驱动器电路
　　半桥自举栅极驱动器电路
　　EZDrive电路
　　最佳的电路板布局与低封装电感相结合，使GaN E-HEMT能够表现出最佳的开关性能。
　　第 5 步 – 电路测试验证
　　GaN E-HEMT具有非常低的寄生参数。然而，如果不加以适当的注意，测试设备和测量技术引入的寄生元件，特别是在较高频率下工作，可能会使GaN器件参数黯然失色，并导致错误的测量结果。
　　应用说明“高速氮化镓E-HEMT的测量技术”（GN003）解释了测量技术的重要性，并提供了多个领域的示例。此外，还讨论了用于表征硬开关导通和关断的双脉冲开关测试，包括开关测试设置和测试结果示例。GaN Systems定期对我们所做的每个设计和我们支持的每个客户进行双脉冲测试。没有更好的方法来验证良好的布局。
　　对于开关能量，描述了提高VGS、VDS和IDS测量精度的Eon/Eoff测量探测技术，包括GaN E-HEMT的开关损耗分布和Eqoss测量示例。
　　第 6 步 – 热设计优化
　　良好的热设计对于GaN晶体管等功率处理器件至关重要。使用绝缘金属基板 （IMS） 而不是 FR4 PCB 可以获得改进的热能力。与 FR4 PCB 传热相比， IMS 设计减少了大功率应用的散热器体积。图 3 来自 GN002，封装 GaNPX® 器件的散热设计，描述了不同的（越来越好）冷却技术，包括顶部冷却。如图所示，当使用高性能GaN器件（较低的RθJA和较低的导通电阻和并联器件）时，可以实现更低的功率损耗和更高的功率操作。此外，SPICE（LTSPICE/PSPICE）和PLECS模型可以帮助系统设计人员优化热性能和电气性能。
　　
　　图3.在特定GaN设计中，一些设计更改可以提高功率处理能力，同时显著降低散热器对环境热阻（RθHSA）的调节
　　新的IEC 62368-1基于危害的产品安全标准（取代IEC 60950）降低了最高触摸温度要求，增加了传统热设计的挑战。虽然水平散热器改善了传热，但垂直热传导变得至关重要。优化的热堆栈可以包括先进的 0.2 mm 热界面材料 （tiM）、3 mm 铜屏蔽和 5 mm 铜块，以实现最低的 RθJA。
　　第 7 步 – 避免电磁干扰 （EMI）
　　长期存在的电力电子问题 - 如果在设计中没有正确处理 - 是EMI和EMC。一般来说，GaN技术有助于降低零反向恢复引起的EMI，但控制驱动参数对于控制EMI至关重要。此外，建议使用铜屏蔽以符合 EMI 标准。然而，布局是最小化EMI的最重要方法，最后一步重申了步骤4中的考虑因素。
　　两个参考设计突出了重要的电路方面，以避免EMI问题。一种是 65W Type-C USB 供电 （PD） 准谐振 （QR） 充电器，可解决 EMI 问题，符合 CISPR22 传导和辐射 B 类标准。第二个参考设计是 100W PFC QR USB PD 充电器，带有两个具有 EMI 功能的 C 型端口，可通过 EN55032 B 类认证，裕量为 》6dB。