高功率 PCB 布局是藝術、科學和工程的平衡，以實現高性能設計，同時考慮與電壓間隔相關的大量限制， 系統布局， 產品尺寸， 熱要求， 以及最重要的電氣性能.從歷史上看，一個經驗豐富的設計師如果很好地理解這些權衡，就可以在沒有建模工具幫助的情況下提供可接受的設計。然而，在當今采用具有非常高dv/dt和di/dt的碳化硅（SiC）MOSFET的現代功率轉換器設計中，了解和量化布局中的寄生效應至關重要。在采用并聯 SiC MOSFET 的設計中尤其如此，其中 PCB 寄生電感和電容會對動態均流產生重大影響。是德科技的高級設計系統 （ADS） 和電力電子專業版 （PEPro） 等電路仿真工具能夠從 PCB 布局中提取寄生元件并對其進行建模，從而可以在構建任何硬件之前進行設計優化，從而節省時間和金錢。Wolfspeed 與是德科技合作，分析了采用兩個并聯表面貼裝 SiC MOSFET 的新型 Wolfspeed 評估板的行為，并比較了仿真和測量數據。

與硅 MOSFET 或 IGBT 相比，SiC MOSFET 的眾多優勢之一是，由于快速導通和關斷開關邊沿，大大降低了開關損耗。更快的開關時間可實現更高的系統效率和更高的功率密度，但在PCB布局中確實需要仔細注意，以最大限度地提高優勢。在考慮寄生元件對系統性能的影響時，電源路徑中有兩個基本關注點。第一個是開關環路中的寄生電感，第二個是開關節點上的寄生電容。這些寄生元件在下面的圖1中以紅色顯示。

圖 1：帶有紅色寄生元件的簡化半橋電路

寄生電感可能會導致幾個問題，具體取決于應用。開關器件和直流母線之間的寄生電感會增加器件在關斷時的電壓過沖。PCB布局完成后，減少這種過沖的唯一方法是增加柵極電阻，以減慢SiC MOSFET的di/dt。這將導致開關損耗增加。更好的解決方案是了解并優化PCB布局，將寄生電感降至可接受的水平，以便以最佳方式驅動MOSFET。

開關節點與電路中其他點之間的寄生電容有可能增加開關損耗、損壞信號并增加EMI。開關節點和母線軌之間的電容會增加開關損耗，因為存儲在寄生電容中的能量在開關事件期間消耗在MOSFET中。

在布線復雜的多層板上，很難直觀地可視化所有寄生元件及其對電路操作的影響。如果在構建原型組件之前沒有很好地理解寄生元件，則性能可能會受到影響。潛在布局問題的警告信號是：

關斷時高壓過沖

VDS 或V GS 振鈴過多

開關損耗高于預期

并聯器件中的動態均流失配

其中一些問題可能嚴重到足以導致立即設備故障或縮短系統的使用壽命。在原型階段發現這些問題意味著您已經投入了大量的時間和金錢來訂購、構建、測試和排除設計故障，而這些更改可能有效，也可能無效。雖然SPICE仿真器是設計和測試電路行為的有效工具，但它不考慮布局中的寄生效應。這就是，可以使用是德科技的 PEPro 等協同仿真工具對 PCB 進行布局后分析，并在訂購任何硬件之前進行設計更改。PEPro 使用電磁 （EM） 場求解器來提取 PCB 布局寄生效應。上述潛在影響可以在這種類型的工具中看到，與花費數月時間構建和測試硬件原型相比，布局在數小時或數天內得到改善。

案例研究 – 并聯 MOSFET

作為 Wolfspeed 新評估板 KIT-CRD-HB12N-J1 開發過程的一部分，Wolfspeed 和是德科技合作，使用是德科技 ADS 和 PEPro 對設計進行了分析，并將結果與實驗室中的測量數據進行了比較。這項工作展示了如何使用是德科技 ADS 和 PEPro 仿真工具預測設計的實際行為，并利用這些信息來改進布局。

并聯分立式 SiC MOSFET 可將設計的功率水平提高到 20-60kW 水平。為了充分利用并聯MOSFET，這些器件需要幾乎同時開關，并在導通時間內承載幾乎相同的電流，以便它們具有相同的功率損耗。在理想系統中，兩個MOSFET將使轉換器可以處理的功率增加一倍。兩個器件之間的任何損耗不匹配都需要將系統功率從理想值降低，以保持相同的峰值結溫（TJ）。圖2顯示了兩個并聯器件的對稱電源路徑布局，這些器件配置為半橋拓撲，鼓勵并聯器件之間的均流。

圖 2：并聯半橋平衡布局示例可實現良好的均流

影響并聯器件之間的損耗和溫度平衡的因素有很多。第一個是MOSFET本身的參數（RDS（ON）VGS（TH）等），來自制造過程中的自然分布，設計人員無法控制。數據手冊中提供了這些參數的范圍，需要對設計進行一些降額，以解決并聯器件之間潛在的不匹配問題。但是，設計人員可以控制的兩個因素，即布局和冷卻系統，可能會對并行器件之間的性能和平衡產生更大的影響。

許多碳化硅 MOSFET 參數與溫度有關。即使并聯設備的電氣布局完美平衡，冷卻系統也會引入不平衡。如果冷卻系統由于熱堆疊、流動不平衡或靠近其他熱源而無法為所有設備提供相同的冷卻，則設備將在不同的溫度下運行。為了滿足可靠性要求，設計人員必須限制轉換器的操作，以將最熱器件保持在應用所需的TJ以內，從而導致其他器件的利用率不足。

PCB布局是設計人員對設計擁有最多控制權的領域，因此對性能的影響是好是壞的能力也最大。正是在這里，是德科技的 PEPro 仿真工具可以有效地測試潛在布局、識別問題和快速開發解決方案。Wolfspeed 的 KIT-CRD-HB12N-J1 是一款半橋評估板，每個開關位置有兩個并聯的 MOSFET。該板使用子卡柵極驅動器。下圖顯示了電路板的框圖原理圖和電源部分布局的概述。

圖 3a：KIT-CRD-HB12N-J1 評估板框圖

圖 3b：KIT-CRD-HB12N-J1 功率部分布局，顯示 Q5 和 Q2 的對稱性和位置

是德科技在該評估板上為電路的電源部分開發了一個 ADS 工作區。本練習未對低壓和柵極驅動電路進行建模，因為重點是電源路徑的對稱性。

圖 4：是德科技 ADS 工作區，顯示 KIT-CRD-HB12N-J1 電源電路

該評估板可用于在 SiC MOSFET 上執行開關損耗測量。每個并聯MOSFET都有一個單獨的電流傳感器，因此可以分析每個器件的動態電流以檢查均流。如果布局不對稱，導致每個并聯器件的寄生電感或電容不同，則兩個器件之間導通和關斷時的電流將不匹配。下面顯示的是德科技仿真顯示了兩個并聯的下部碳化硅MOSFET中的電流。從該仿真中可以清楚地看出，開關邊沿兩個器件之間的電流不匹配非常小。這表明兩個設備的布局非常對稱。

圖 5：關斷（左）和導通（右）時 Q2 和 Q5 中的仿真電流

實驗室的測量結果證實了模擬是正確的。這兩個器件的開關損耗幾乎相同，如下圖所示。

圖 6：在不同電流下測得的 Q2 和 Q5 開關損耗

接下來，在作為同步升壓轉換器運行的背景下分析該板，如下所示。

圖 7：KIT-CRD-HB12N-J1 的同步降壓轉換器配置

在對PCB的寄生元件進行建模和不對PCB寄生元件進行建模的情況下，對效率進行了仿真。不包含寄生元素的分析是SPICE模型本身所能做到的。如圖所示，包括寄生元件會降低效率，并且模型更接近實驗室中看到的測量結果。對于試圖滿足非常嚴格的效率要求的設計人員來說，這是一個重要的考慮因素。布局會對損失產生重大影響。

圖 8：同步升壓配置中的實測效率與仿真效率

最后，進行了一次實驗，有意在設計中引入不對稱性，以查看對硬件和仿真的影響。在原始布局中，與升壓電感的開關節點連接在兩個并聯支路之間對稱。對于此測試，連接點移至Q2的漏極卡舌處，從而將電阻和電感降低到Q2，并將其增加到Q5。

圖 9：有意引入的非對稱交換節點連接

這種不對稱導致第二季度的損失增加。對Q2電阻的增加會導致更多的電流在導通時間內流過Q5，從而導致更高的傳導損耗。在測試的場景中，Q2故意具有比Q5更低的VGS（TH），因此盡管布局不對稱，但Q2仍然更早開啟并占用更多的動態電流。是德科技 ADS 能夠捕獲這兩種現象，并且與測量的實驗室數據非常吻合。

圖 10：采用非對稱連接的 Q2 和 Q5 中測量（左）和仿真（右）電流波形

像這樣的不對稱性通常被放置在設計中，以滿足其他設計目標，例如連接點的位置。然而，正如是德科技 ADS 所證明的那樣，這可能會對設計性能產生重大影響。使用這樣的工具可以幫助設計人員了解設計中的所有權衡，并避免在測試階段出現意外。

結論

碳化硅MOSFET和二極管為更高效、功率密度更高的設計打開了大門，這在很大程度上是因為它們的快速開關能力。然而，隨著開關速度的提高，設計人員越來越需要了解布局中的寄生元件，這些元件會對性能產生重大影響。將電磁建模與 SPICE 建模相結合，可以更全面地了解功率轉換器的行為。這些工具可以避免較長的原型設計周期，并優化系統的整體性能，從而縮短設計時間。

審核編輯：郭婷