Gallium nitridum (GaN) transistores in massa productione plus X annis fuerunt. In primis paucis annis disponibilitate, celeritas mutandi ieiunium novarum machinarum - usque ad X tempora velocius quam venerabilis Si. MOSFET - fuit principale causa designandi uti GaN FETs.
Introduction
Morbi cursus sapien ut cum normalized cogitationes mosfete ampliatione machinis cum diversis evolutionis copulata voltage aestimationes et facultates tractandi potentiae, multo latius acceptatio facta est in applicationibus ametibus sicut DC-DC convertentium pro computatoribus, agitationes motorum pro robotis, et cursoriis et scooters e-mobilitatem. Experientia a primis adoptantibus consecuta viam induxit ut postea entrantes in mundum GaN citius producerentur.
Hic articulus est primus in serie articulorum tractantium trium argumentorum qui auxilium systematis virtutis adiuvant excogitatores maxime e suis consiliis infimis sumptibus GaN-fundatis consequi. Tria argumenta sunt: (1) considerationes layout; (2) scelerisque consilio maximam potestatem tractandi; and, (3) Tactus artes reductiones pro infimis sumptibus.
Parasiticae Inductance Ob High Switching velocitate GaN
Usus GaN in frequentiis altioribus quam in senescente potestate mosfet capax est arcus in sordidis effectibus inductionis parasiticae in potentia conversionis circuit [1]. Haec inductio impedit extractionem plenae utilitatis extra-fast permutationis facultatum GaN cum generatione EMI reducta. In configuratione pontis dimidia, quae circiter 80% potentiarum convertentium adhibetur, duo principales fontes inducentiae parasiticae sunt; (I) summus frequentia potentiae ansa a duabus vi mutandi cogitationes formatur una cum summus frequentia bus capacitor and, (2) the gate drive ansam factam per portam rectorem, fabricam virtutis, and high-frequence porta pellere capacitor. Fons communis inductionis (CSI) definitur ex parte ansae inductionis quae communis est utrique portae ansa et potentia ansa. Indicatur sagittae in Figura 1 .
Figura 1: Schematica potentiae dimidii pontis scaena ostendens potestatem et portam coegi ansas cum fonte communi inductum in circulos punctatos.
Minimising Parasiticae Inductance
Minimisatio omnium inductionum parasiticarum vitalis est cum considerando extensionem altae celeritatis machinas potentiae. Non potest omnia reducere components inductionis aequaliter, et ideo in ordine dignitatis dirigendae sunt, incipiendo a communi fonte inductionis, deinde ansa inductionis potestatis et demum portae ansa inductionis.
Nam summusvoltage PQFN (Power Quad Flat No lead) mosfet fasciculis, necessitas ad fontem clavum separatum portae-revertentis notum est et etiam in structurarum summarum intentione GaN PQFN [2,3] impletur. Cum hae singulae fibulae in promptu sunt, portae fascias propellunt et fascias potentiae separantur intra sarcinam et extremam diligentiam accipiendum est quomodo extrinsecus conectuntur.
Reductio in commune principium inductio venit cum sumptu extrinseci principii inducentiae, quae extra portam ansam impulit. Haec inductio externa ducere potest ad terram augendam currentis propter meliorationem celeritatis machinae semel inducta communi fonte remota [4].
Exsecutionis modus GaN transistores praesto sunt in lagano gradu Chip-Scale Package (WLCSP) cum terminalibus in terra Grid Array (LGA) vel Ball Grid Array format. Nonnullae ex his machinis fontem acum separatum non praebent, sed plures nexus inductiones vilissimae ut in Figura demonstrantur 2. Tota sarcina inducta harum fasciculorum saepe est minor quam 100 pH. Hoc valde reducit omnes partes inductionis, et sic omnes difficultates inductationis relatas redigit. Hae fasciculi LGA et BGA eodem modo tractari possunt ac praeditae portae dedicatae reditus acum vel vectem collocando fontem pads proximae portae ad agendum sicut punctum nexus "stellae" utriusque portae ansa ac potentia ansa. In extensione portae et potentiae loramenta separantur, habentes venas in directiones oppositas seu orthogonales ut in Figura II ostensum est.
Figure 2: GaN transistores in LGA (a) et BGA (b) formats monstrantes directionem de fabrica venae inductionis quae minimizes communem fontem inductionis.
Dum extenuando inductionem singularum elementorum quae ansam faciunt (id est capacitor esl, fabrica plumbum inductum est; pcb Inductionem interconnect) magni momenti est, designantes etiam intendere debent in totam ansam inductionis extenuando. Cum inductio ansae determinatur ab energia magnetica quae intus reponitur, potest ulterius extenuare altiorem ansam inductionem adhibendo coniunctionem inter conductores adiacentes ad inducendum campum magneticum auto-cancellationis.
Interposito fundamento et fonte terminales ab una parte notae, nonnullae parvae ansulae cum currentibus contrariis generantur quae altiore inductione per campum magneticum autocancellationis decrescent. Hoc non solum verum est vestigia PCB in Figura 3(a) ostensa, sed etiam pro solida verticali nexus ac nexus intertextus VIAS in Figura 3(b). Multiplicis campi magnetici per ansulas destruentes, tota vis magnetica, ideoque inducta, signanter reducitur [5].
Figura III: LGA GaN Transistor conscendit in PCB ostendens alterna current fluxus (a) summo intuitu (b) latus visum
Praeterea reductionis inductionis in loop partialis fieri potest, ut excursus tam exhauriat quam fons ex utraque parte machinae e centerline et duplicatione campi magnetici indultum effectum. Haec opera currentem in unoquoque conductore minuendo, ita industriam repositam amplius minuendo, et via brevior inductum inferiorem reddit.
Conventional Power Loop Designs
Ad videndum quomodo potentia ansa minimizationis inductionis effici possit in actuali extensione, duo accessiones conventionales potentiae ansulae pro comparatione exhibentur. Hae duae aditus vocabuntur respective "lateralis" et "verticalis".
Potentia lateralis Loop Design
Propositum laterale ponit input Capacitores et machinas in eadem parte PCB in propinquitate ad extenuandum area ansa potentiae frequentiae summus. Summus frequentia ansa huius designationis in eadem parte PCB continetur et ansa lateralis habetur, cum potestas ansa lateraliter fluit in strato uno PCB. Exemplum extensionis lateralis utens consilio Transistoris LGA ostenditur in Figura 4. Ansa frequentia alta in hac figura illustratur.
Figure 4: Conventionis lateralis potestas loop pro LGA GaN transistorbased converter(A) top view (b) latus visum
Dum ansa magnitudinem corporis extenuando refert ad reducendam inductionem parasiticam, consilium est etiam critica interiorum stratorum. Nam potentia lateralis ansa designatur, prima strato interior pro "scuto iacuit". Haec tabula critica munus agit in circuitibus internis protegendis ex agris generatis ab ansa potentiae frequentiae summus. Potestas ansa magneticum campum generat, quod currentem in strato clypei inducentem in contrariam partem fluit potentiae ansa. Current in strato clypei magneticum campum generat contra vim originalem ansam magnetici campi. Finis effectus est indultum agrorum magneticarum quae reductionem in potestatem ansam inductum parasiticae vertit.
Planum scutum integrum habens in propinquitate potentiae ansa cedit infimae potentiae ansam inducentiae pro extensione laterali. Accessus valde pendet ab ansa potentia ad iacum scuti in primo strato interiore contento [6]. Quamdiu in summo propinquitate duo strati sunt, alta frequentia ansa inductionis parvam dependentiam in summa tabula crassitudinis ostendit.
Virtus verticalis Loop Design
Secunda layout conventionalis, quae in Figura 5, initus est, collocat Capacitors et transistores in contraria parte PCB, cum Capacitoribus directe sub machinis sitae ad magnitudinem corporis extenuant. Haec potestas ansa verticalis appellatur quia ansa verticaliter per vias PCB connectitur. Transistor LGA designatio figurae 5 ansam verticalem habet illustravit.
Figura V: Conventional verticalis potentia loop pro LGA Transistor-fundatur converter: (a) top view (b) fundum visum (c) latus visum
Ad hoc consilium, nulla clypeus iacuit ob structuram verticalem. Potentia verticalis ansa magnetico campo auto-cancellationis methodo utitur (fluentibus in contrarias partes fluentibus) ad inductionem reducendam, ut contra plani clypei usum.
Pro missione PCB, tabulae crassitudo plerumque multo tenuior est quam longitudo horizontalis vestium in summo et ima parte tabulae. Ut crassitudo tabulae decrescit, area ansa valde refugit comparati potentiae lateralis ansa, et vena fluens in contrarias partes in summis stratis in summis campum magneticum sui cancellationem praebere incipit. Ad ansam verticalem potentia efficacissima esse, tabula crassitudine elevat.
Optimizing Power loop
Melior est ars quae praebet utilitates ansa magnitudinis reductae, campum magneticum auto-cancellationis habet, inductionem quae est extra tabulae crassitudinis, unius partis PCB designatio est, et magnam efficaciam praebet ad structuram multi-strati, est in Figura 6. Consilium primo strato interiore utitur, in Figura 6(b), ostensum est, ut potentia ansa iter reddat. Haec reditus via directe sub ansa tabulato summo posita est, ut in Figura 6(a). Haec positio consequitur minimam ansam corporis coniunctam cum campo magnetico auto-remissionis. Visum latus, quod in Figura 6(c) demonstratum est, conceptum illustrat notionem creandi campi magnetici low-profile ansam autocancelling in multilayer PCB structuram.
Figura 6: Optima potentia ansa pro LGA Transistor-fundatur converter: (a) summa sententia (b) top intuitu straminis interioris 1 (c) latus visum
Hoc melius layout ponit initus Capacitors prope ad summum fabrica, cum positivo input voltage terminales iuxta exhaurire nexus summi Transistoris sitae. Cogitationes GaN in dispositione positae sunt sicut in casubus ansa lateralibus et verticalibus potentiae. Nodi inductor nodi interpositi et tritus vias duplicantur in imo latere rectificantis synchroni Transistoris.
Hae vias intermissas tria commoda praebent: • Interiectis vias currentibus in contraria directione fluentis repositiones energiae magneticae minuit et adiuvat campum magneticum indultum generare. Hic proventus in tortis et effectibus propinquitatis reductis, ita AC conductionis damna reducendo. • Vias sub Transistore inferiore positas resistentiam reducit et detrimenta conductionis comitans durante periodo liberatorio transistoris. • VIAS vias scelerisque resistentias dilatantes minuere, ita efficientiam et vim tractandi augere.
Characteres conventionales et optimales notae comparantur in Tabula 1. Lateralis Loop Vertical Loop Optimal Loop Single Sided PCB Capability Yes No Yes Ita Magnetic Field Self-Cancellation No Yes Yes Inductance Independent of Board Crassitudo Sic No Ita Scutum Layer required Ita Nulla Nulla Table 1: Characteristics of conventional and optimal power loop designs.
Ictus Integration in Parasitics
Ad inductionem parasiticam GaN transistoris substructio consilia reducere, scaenicae potentiae monolithicae GaN circuitus integrales praesto sunt [7]. In Figura 7, truncus figurae et photographica actualis photographica photographica scaenae virtutis monolithicae GaN IC ostenditur. Huius monolithic circuii integrati efficaciam experimento metiri, in Figura 8, exhibito, comparatur contra discretum circuii usum eGaN® transistorum eadem repugnantia et a uPI acti. Gallium uP1966 Si dimidia pontis agitator IC [7] in layout optimal. Commoda reductae potentiae ansa et portae ansa inductiones in GaN ic clarescunt sicut altiore quaestus efficientiae ab integratione significantes sunt in 1 MHz in signo hirci convertentis.
Figura VII: Acta tabula ad scaena virtutis monolithic (a) et photo chip (b)
Figura 8: Efficientia comparationis inter scenam potentiae monolithicam GaN (viridis) et externae agitatae aequivalens discreti GaN transistores (hyacinthini) in solutione 48 V – 12 V hirci convertentis ad 1 MHz (lineae solidae) et 2.5 MHz (lineae elisae) . Quod nigrum "X" est optimum nuntiavit mosfet perficiendi apud 1 MHz.
Summary
Circuitus efficiens extensionem PCB area extenuabit, dissipationem prodigi potentiae minuet propter celeritatum commutationes tardiores quae ab inductionibus parasiticis circumscriptae sunt, et melioris systematis firmitas ob reducendam intentionis LUXURIAM. Layout parasitici magni momenti sunt cum utentes transistores GaN agitabantur; scilicet communis fons inductio, summus frequentia potestas ansa inductio, porta ansa inductio.
Plures modi ad has perficiendas inhibendas parasiticas magnas recensiti sunt, incipientes ab uno transistore maxime fundamentali per scaenam potestatem perfectam monolithicam GaN IC. In futuris articulis layout de technicis in hoc articulo agitatis aedificabitur ut optimas rationes administrationis thermarum ostenderet et quomodo in humiliores EMI systemata crearet, omnia cum modernis chip-scalae GaN transistoribus et ICs.