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[分享] 给SiC FET设计PCB有哪些注意事项?

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发表于 2023-9-21 11:31:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文作者:Qorvo应用工程师Mike Zhu

SiC FET(即SiC JFET和硅MOSFET的常闭共源共栅组合)等宽带隙半导体开关推出后,功率转换产品无疑受益匪浅。此类器件具有超快的开关速度和较低的传导损耗,能够在各类应用中提高效率和功率密度。然而,与缓慢的旧技术相比,高电压和电流边缘速率与板寄生电容和电感的相互作用更大,可能产生不必要的感应电流和电压,导致效率降低,组件受到应力,影响可靠性。此外,由于现在SiC FET导通电阻通常以毫欧为单位进行测量,因此,PCB迹线电阻可能相当大,须谨慎降低以保持低系统传导损耗。

设定电流边缘速率

SiC FET可轻松实现超过1000A/μs的电流边缘速率(图1),这样SiC FET、其负载和本地去耦电容之间的开关回路周围的电感会产生瞬态电压(图2)。例如,依据E = -Ldi/dt,100nH回路电感可产生100V的瞬态电压,这会导致器件工作电压提高、击穿裕量减少且EMI增加。

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图1 :与同等级的Si SJ MOSFET相比,SiC FET开关波形显示 >1000A/μs 的边缘速率
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图2 :具有高di/dt的典型开关回路

这是真实的电感值,在典型电源应用中,考虑到组件的物理尺寸,无法将其紧密封装在一起。例如,根据Terman的等式1计算得出,如果宽度(W)为2.5mm且铜重量(T)为2oz (0.07mm),对于每个 “出发” 和 “返回” 连接,仅50mm (l) 的PCB迹线可产生大约100nH的总电感。

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这个关系适用于隔离的出发和返回迹线,不适用于返回平面上方的单条迹线。有趣的是,从图中可以看出,电感与迹线宽度和厚度的关系相对较小,长度是主要因素。(图3)


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图3 :根据等式1,隔离的迹线电感随厚度和宽度的变化

图表显示,通过将高频率去耦电容(图2中的Cd)放置在比大直流链路电容更靠近开关的位置,可有效缩短长度并获得最大优势,电容不是低电感类型时候效果更为明显。如果出发和返回路径十分接近,通常使用铜平面, 则电感大幅减少(图4)。

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图4 :返回平面在迹线下方可显著减少总电感

根据Clayton的等式2,现在,与返回平面相距1.6mm(H)的2.5mm(W) 迹线的总回路电感仅为32nH。该等式对W/H>1有效,同样,迹线厚度不是主要因素,但现在,迹线宽度以及迹线与平面之间的距离可产生显著影响(图5)。如果返回平面同时位于迹线上方和下方,则电感进一步减少,并获得增强屏蔽的额外优势。

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图5 :当返回路径是铜平面时,电感减少,并随着间隔距离和迹线宽度的变化而显著变化

除迹线外,导通孔也会使电感增加,并且会出现电阻性压降,应尽可能避免在功率路径中使用。导通孔的电感取决于尺寸以及孔是否填补,直径为0.5mm、长度为1.6mm且未填补的孔,其电感大约为0.5nH。该值通常可以忽略不计,尤其是如果有多个平行的导通孔,功率路径中可能会出现这种情况。

栅极和源连接中的公共连接电感是一大问题

如果 SiC FET 栅极驱动回路及其源极电流共用任一长度的迹线,则公共连接的电感会产生瞬态电压,其中负载电流阶跃作用于栅极驱动(图6)。最糟糕的情况是,关断驱动信号的幅度减小,这可能会导致 “幻象导通”,在桥式转换器支路中产生 “击穿”,带来灾难性损坏。即使分离的栅极驱动回路连接至三引脚TO-247器件的源极,仍有大约10nH的封装电感,这是常见现象,无法消除,如果源极电流边缘速率为1000A/μs,会产生10伏的瞬态电压。在实际设计中,这些边缘速率通常较为缓慢,解决方案之一是使用四引脚器件,并与源极建立单独的内部 “开尔文” 连接,比如UnitedSiC (Qorvo)提供的器件。这能够将公共连接电感降至大约1nH的裸片数据,从而实现更高的边缘速率以及可能更低的动态损耗。

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图6 :高源极 di/dt 和公共连接电感会产生瞬态栅极电压

电路电容可导致不必要的耦合

请注意,较宽的迹线可有效降低电感和瞬态电压,但也会提高对相邻迹线、组件和地面的电容。SiC FET所具备的高dV/dt 速率能够引起位移电流,这会导致高EMI水平和混乱操作。例如,边缘速率为100kV/μs 时,SiC FET可轻松开关,仅通过10pF就能产生1A。电流以通常难以识别的路线围绕系统流动。在高侧开关的源连接处,对主开关节点的电容是一个特殊问题。主开关节点可通过物理方式隔离,以避免耦合至任何敏感的控制或反馈连接。然而,始终有路径通过栅极驱动器连接至系统其余部分,即使利用磁力或通过光耦合器将其隔离,信号路径和提供栅极驱动电源的DC-DC转换器中也将存在残余电容。为此,在指定具有低耦合电容的隔离部件时,应格外小心,最好不超过数pF。

开关节点和机箱接地之间的电容是共模EMI的主要来源,可能会导致超出法定限制。好在SiC FET等器件的效率往往意味着它们能够使用小型未接地散热器操作。如果必须使用较大的接地散热器,开关器件和散热器之间可使用铜箔形式的静电屏蔽,但这势必会提高热阻,因此必须小心地对其进行绝缘处理,以满足安全标准。

散热考虑因素

SiC FET的损耗通常非常低,因此PCB迹线和平面可作为散热器,将结温保持在合理的范围内。由于与其他发热组件的相互作用,此类布局的热阻可能很难量化,因此通常使用多物理模拟软件来预测结果。PCB材料、层数及其铜重量、气流方向和速率、表面辐射系数和其他组件产生的交叉加热都必须考虑在内。
热量可使用散热孔通过PCB传递,凭借仅大约0.25W/m-K的核心热导率,对FR4进行改进。直径为0.5mm、长1.6mm且壁厚为0.025mm的未填补散热孔的热阻约为100°C/W(图7)。

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图7:典型散热孔的热阻约为100°C/W。电阻约为0.7毫欧,电感约为0.5nH

举个例子,仅12个该尺寸的散热孔就可以将25平方毫米、厚1.6mm的PCB区域的顶部铜平面至底部铜平面的热阻从约16°C/W减少至8°C/W。绝缘金属基板 (IMS) 的热阻约为FR4的45%,但其缺点是成本更高,并且对层数有实际限制。IMS介电厚度通常为每层0.15mm左右,以确保尽可能最低的热阻,这通常是目标,但的确会产生相对较高的电容,并且正如所讨论的,可能会产生高共模电流。IMS基板一般用于高密度应用,以便通过液体或强制空气冷却将热量最大限度排出到板上。对于采用对流冷却的非关键型系统,与铜平面之间具备散热孔的FR4可能更加适合。随着越来越多的器件可采用顶部散热方式,通过PCB对散热路径的依赖性降低。

Qorvo已证明,与通过串联电阻减缓栅极驱动速度等方式相比,简单的 RC 缓冲电路可有效限制开关边缘产生的瞬态过电压。具有极低耗散的相对较小的表贴组件可用于有效降低峰值电压。缓冲电路应尽可能靠近器件,并使用具备足够宽度的迹线,以便最大限度减少电感,耗散必要的功率。迹线中以短 “颈” 形式出现的热折断可能有助于减少功率器件产生的交叉加热。

PCB迹线电阻导致效率降低

现在,即使在高额定电压下,SiC FET的导通电阻只有数毫欧,因此其传导损耗可能非常低。然而,相关迹线电阻可能相当大,因此应尽可能减少迹线电阻,以维持SiC FET优势。为了评估影响,PCB电阻取决于铜电阻率、厚度、温度和迹线长度。一种便捷的测量方式是沿着迹线计算 “平方” 的数量,例如,在25°C时,无论尺寸如何,35μm/1oz铜在每 “平方” 的电阻为0.5毫欧,所以1mm宽、 1mm长的迹线和10密耳宽、10密耳长的迹线一样,电阻均为0.5毫欧。因此,正如我们在计算电感时使用的,对于长度只有 100mm的2.5mm迹线,测量得出其电阻为20毫欧——通常比最低的SiC FET导通电阻还要多。此外,随着温度升高,铜电阻增加,在本例中,100°C时,铜电阻增加至大约26毫欧,因此应将这一因素考虑在内。对于直迹线,“计算平方数” 的方法十分准确,如有突然转弯,由于电流集聚效应,拐角处的电阻率会提高。无论如何,应避免直角,以防止出现局部高电场强度,避免电压击穿风险增加。

对于交流电,应考虑 “趋肤效应”,即随着频率增加,电流往往集中到表面流动,而不是在大部分导线内流动。但对于PCB迹线,该效应通常较小,趋肤深度约为66/f1/2mm,因此,即使在1MHz时,开关电流流向深度为0.07mm或总厚度为2oz的铜。谐波电流不会渗透得这么深,但其幅度更小。

当高频率交流电通过铜平面返回时,可以假设该路径上的电阻更低。然而,由于电流集中到功率迹线下方且只有直流组件显著分散,优势并不明显(图8)。

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图8 :平面中的交流返回电流集中到功率迹线下方。任何直流组件分散得更广

结论

应了解并降低实际连接电阻,以便充分发挥SiC FET的潜在性能。在一些转换拓扑结构中,寄生电感和电容可能是谐振槽的一部分,因此通常也应该降低。在这种情况下,量化和控制电路值仍非常重要。

本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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