前言

NV6169作為先進(jìn)的納微第三代氮化鎵平臺中額定功率最高的功率芯片。采用 GaNSense 技術(shù)的 GaNFast 功率芯片具有無損電流感應(yīng)和最快的短路保護(hù)，實(shí)現(xiàn)“檢測到保護(hù)”的速度僅為30ns，比分立解決方案快6倍。在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，與IGBT相比，氮化鎵功率芯片可節(jié)省高達(dá)40%的能源，消除30個外部組件，并將系統(tǒng)效率提高8%。

近期，Navitas納微發(fā)布了NV6169的應(yīng)用筆記，細(xì)介紹了NV6169和GaNSense的功能、原理圖和PCB布線指南、電路示例和波形、以及散熱管理說明。這些說明可以幫助實(shí)現(xiàn)最高效率和功率密度，以實(shí)現(xiàn)最高水平的系統(tǒng)穩(wěn)健性和可靠性。

NV6169應(yīng)用筆記

憑借集成的柵極驅(qū)動、寬范圍的Vcc和PWM輸入、內(nèi)部ESD保護(hù)和較大的散熱焊盤等優(yōu)勢，GaNFast功率IC已在多種高密度電源產(chǎn)品中得到采用。

GaNSense技術(shù)還提供另一層關(guān)鍵特性，包括無損電流感應(yīng)、OCP、OTP和自動待機(jī)模式，這些特性可以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性和可靠性，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率，并降低待機(jī)功耗。這些GaN功率IC具有易用性和設(shè)計靈活性，可與所有流行的拓?fù)浜涂刂破骷嫒荩蓪?shí)現(xiàn)高頻開關(guān)。

外部電源轉(zhuǎn)換電路的大部分開關(guān)電流從漏極引腳流經(jīng)GaN功率FET，然后流向源極引腳。GaN IC產(chǎn)生的熱量必須通過源極散熱焊盤導(dǎo)出到PCB。然后使用較大的PCB覆銅區(qū)域和散熱孔將熱量傳導(dǎo)到PCB的另一側(cè)和/或具有較大覆銅區(qū)域的內(nèi)層，然后熱量可以在此處散開和冷卻。

為了進(jìn)一步將GaNSense產(chǎn)品系列擴(kuò)展到更高功率的應(yīng)用，NV6169 45mΩ 版本采用了 PQFN 8x8 封裝。NV6169的IC引腳包括漏極引腳(D)、源極引腳(S)、IC電源(Vcc)、柵極驅(qū)動電源(Voo)、柵極驅(qū)動開啟控制SET輸入(Roo)、PWM輸入(PWM)、故障輸出(FLT)、電流感應(yīng)輸出(CS)、自動待機(jī)模式輸入(STBY)、5V電源(5V)、以及一個較大的源極散熱焊盤。

對于許多應(yīng)用，有必要感應(yīng)流經(jīng)GaN IC的逐周期電流。現(xiàn)有的電流感應(yīng)解決方案包括在功率FET的源極連接和PGND之間放置一個串聯(lián)電流感應(yīng)電阻。使用外部電流感應(yīng)電阻會增加系統(tǒng)傳導(dǎo)功率損耗，在PCB上產(chǎn)生熱點(diǎn)，并降低整體系統(tǒng)效率。

為了消除外部電阻器和熱點(diǎn)并提高系統(tǒng)效率，這款GaN IC集成了精確且可配置的無損電流感應(yīng)。GaNSense技術(shù)與現(xiàn)有的外部電阻感應(yīng)方法相比，總導(dǎo)通電阻有顯著的降低。

在基準(zhǔn)測試期間，開關(guān)波形顯示了在電感式開關(guān)升壓CCM條件下CS引腳跟隨性能與電感電流的關(guān)系。開關(guān)性能在30A電流水平下，表現(xiàn)出了出色的Vcs和電感電流實(shí)時匹配和跟隨。為了顯示跟隨精度，所有波形的CS引腳電壓刻度均基于Rcs增益計算，以匹配電流探頭刻度。

該GaN IC包含逐周期過流檢測和保護(hù)(OCP)電路，以保護(hù)GaN IC免受高電流水平的影響。在每個開關(guān)周期的導(dǎo)通時間內(nèi)，如果峰值電流超過內(nèi)部OCP閾值(1.9V，典型值)，則內(nèi)部柵極驅(qū)動器將快速關(guān)閉GaN IC，并縮短導(dǎo)通時間以防止IC發(fā)生損壞。

NV6169包含過溫檢測和保護(hù)(OTP)電路，可保護(hù)IC免受過高結(jié)溫的影響。由于過載、高環(huán)境溫度和/或不良的散熱管理，可能會出現(xiàn)高結(jié)溫。如果結(jié)溫超過內(nèi)部閾值(165℃，典型值)，那么IC將安全鎖定。當(dāng)結(jié)溫再次下降并低于內(nèi)部閾值(105℃，典型值)時，OTP鎖存器將被復(fù)位。

在第一次啟動脈沖期間或硬開關(guān)狀態(tài)期間，最好限制GaN IC在導(dǎo)通期間的漏極電壓變換速率(dV/dt)。這是降低EMI或降低電路開關(guān)噪聲所必需的。

該GaN IC包含自動低功耗待機(jī)模式，來禁用IC并降低Vcc電流消耗。在正常工作模式下，PWM引腳產(chǎn)生驅(qū)動信號以開啟和關(guān)閉GaN IC。

要獲得最佳的電氣和散熱效果，必須遵循應(yīng)用筆記給出的PCB布線指南和步驟。

以上示例顯示了NV6169 PQFN 8x8 mm正確布線的PCB測試板示例。所有元件都放置和布線在頂層，使得所有其他層可以用于較大的覆銅區(qū)域和散熱孔。如果使用4層PCB，則可以獲得額外的散熱覆銅區(qū)域。

以上熱模型是針對GaN IC安裝在PCB一側(cè)的PCB子卡。GaN IC產(chǎn)生的熱量流經(jīng)封裝引線框架，流向PCB覆銅層和散熱孔，通過導(dǎo)熱界面材料(TIM)，并橫向通過PCB流向側(cè)面。然后TIM進(jìn)入安全絕緣材料(麥拉片)，然后進(jìn)入銅屏蔽層(用于散熱和EMI抑制)。

散熱管理方面，常用于屏蔽層的材料包括銅或鋁。也可以使用鋼，實(shí)現(xiàn)更好的EMI屏蔽，并且通常鍍錫以防止生銹或腐蝕。上表總結(jié)了一些可以使用的熱疊層和屏蔽層材料。

充電頭網(wǎng)總結(jié)

Navitas 納微半導(dǎo)體的新一代GaNFast功率芯片采用了GaNSense技術(shù)，具備控制、驅(qū)動、感應(yīng)和保護(hù)等功能，適用于移動、消費(fèi)、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和企業(yè)等市場領(lǐng)域的30W至1kW的應(yīng)用。集成柵極驅(qū)動消除了寄生柵極環(huán)路電感，并可以防止柵極振鈴和毛刺。

45mΩ的NV6169采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的、輕薄、低電感、8 x 8 mm PQFN 封裝，導(dǎo)通電阻降低36%，功率提高50%，用于高效率、高密度的電力系統(tǒng)。與競爭解決方案不同，NV6169額定工作電壓為650V，額定峰值額定電壓為800V，可在瞬態(tài)事件期間穩(wěn)定工作。作為真正的集成功率芯片，GaN柵極受到全面保護(hù)，整個器件的額定靜電放電(ESD)規(guī)格為業(yè)界領(lǐng)先的2kV。