由于更高功率的需求不断增长，对具有更低导通电阻RDS(on)的开关管的需求强烈。在许多应用中，单个开关管已经不足以承载系统必要的电流，这就需要通过并联开关管来降低导通损耗，降低工作温度并提高功率转换器的效率。而功率转换器中的并联开关管在导通和关断过程中并不完全同步，工程师常常面临着电流不均和功率耗散不平衡的问题。这就需要通过巧妙的驱动电路和功率回路设计，来保证氮化镓并联的可行性。

本文将从氮化镓并联设计的关注点、设计形式、并联案例及实验数据进行分析，归纳出氮化镓并联设计的关键要领。

  
Layout设计关注点

为了实现更高的功率应用，部分场景需要使用多个GaN并联。为了使多个GaN性能的表现与单个GaN相同，我们需要关注共源电感、功率回路和驱动回路三个方面。

共源电感共源电感（CSI）是栅极驱动回路和功率回路共用的回路电感 （如上图中的CSI）。 

在器件导通的过程中，di/dt的大小取决于驱动电路的驱动能力。由于有共源电感的存在，在开通过程中，漏极电流di/dt将在共源电感产生一个与栅极驱动电压相反的电压，从而减少用于栅极电容充电的电流，延长转换时间Tcr，增大开通损耗，降低效率。故在并联场景中需格外注意共源电感。

功率回路

对于高频功率器件的布局，减少寄生电感非常重要 。推荐PCB布局如下：

① 瓷片电容靠近上管GaN，第一层采用功率回路，通过第二层构建最小的物理回路尺寸，并具备磁场自消除功能，将功率回路中的寄生电感降低，有助于降低尖峰电压和提高效率。

② D和S端采用交错过孔，相反的电流的交错过孔可以减少磁能存储，有助于磁场消除，降低涡流和邻近效应，减少交流传导损耗。

驱动回路参考《AN002-低压InnoGaN驱动设计指导》驱动设计方案，驱动电阻开通电阻R1、R2、R3，关断电阻R2、R3。Layout设计时R2、R3、C1、C2靠近Gate端，可以有效抑制因为驱动回路长而带来的振铃和高dV/dt引起的驱动回冲等问题。同时器件采用开尔文设计，将驱动回路与功率回路分离，有效减小CSI影响。

并联设计方法

单管拓扑GaN并联在单个开关器件中应用多个器件并联，会导致系统结构复杂，需要考虑不同开关管的各种电流路径，多个GaN并联应用对于PCB的对称性要求也更加苛刻。

为了符合对称的需求，并且使得GaN器件有效并联，如上图所示，功率回路对称、CSI和栅极回路都是有效并联GaN的关键因数。随着并联的GaN数量增加，使得整个电路的布局无法实现完全对称，所以需要考虑寄生参数优先级。建议依次为：共源电感的对称＞功率回路＞栅极回路。

 
半桥拓扑GaN并联对于半桥应用中的并联方式，可以应用上面布局方法，但是由于一些限制的原因，这种方案在该并联的场景中有局限，对于系统来说，不是最优的方案。 最佳方案推荐对称镜像方案 ，如下图。 

该对称性方案实现拥有独立的功率回路，不但可以将系统的总寄生参数降低，同时保证系统寄生参数的一致性，提供寄生参数最佳平衡，为多GaN实现可靠并联方案。

半桥多管并联方案推荐

多管并联需要从共源电感、功率回路、驱动回路设计，将PCB设计为对称结构，保证寄生参数的一致性，发挥出现更优的并联优势，提高系统的稳定可靠性。

推荐几款并联方案，如下：

上方所示的左图和右图都能实现功率对称、驱动对称，其中左图的热相对于右图的比较集中，需要增加热处理能力。

上述提出针对2/4/6/8管并联，确保共源电感对称、功率回路对称、驱动回路对称等提出新的示意图。

并联案例   

半桥Buck 并联方案驱动设计基于GaN特性的分析，半桥并联方案PCB采用以下对称镜像方案。系统采用INN030FQ015A 4管并联，系统频率为300kHz。

4管并联方案的驱动走线相对比较长，所以将R1/R2/R3/R4/R10/R11/R12/R13电阻靠近GaN，它可以有效抑制由于驱动回路长带来的振铃问题。同时在GaN的GS之间配置电容，在不牺牲驱动开关速度的条件下，可以并上电容可以抑制驱动Vgs震荡回冲等问题，考虑驱动开通和关断速度不一致，增加R27/R28电阻来调整驱动的速度。

半桥Buck 并联方案PCB设计PCB Layout 设计如下图： 

由Top层可以看出，PCB采用与驱动IC为中点上下对称，且左右对称，同时每一组半桥配置一组高频电容，有效降低功率寄生参数。驱动回路通过通孔连接，降低共源电感，以此保证驱动回路对称。此外，第二层功率回路地与Top层组成高频环路，形成最佳布局的基础。

第三层和Bottom层主要提供大电流路径和散热途径，保证足够的面积即可。

  
实验数据  

实验验证板采用4管并联Buck方案，具体方案布局如下，T1/T2/T3/T4为Buck并联开关管，SR1/SR2/SR3/SR4为Buck 并联续流管。

 
驱动信号测试

并联器件的Vgs转换几乎一致，证明这种对称方案有助于平衡寄生电感，进而提供更好的性能和均流性。
 
热测试本实验针对热测试，采用无风、有风、有散热等条件对比，确认系统的均热效果，及系统4管并联效果。并联温差小于10℃，判定并联效果良好；并联温差大于10℃，判定并联效果一般。

（1）无风测试

测试条件：Vin:12V,Vout:5V,Fs:300kHz,对比25A/50A/70A等输出电流的并联的GaN最高温度，测试时间30min稳定记录温度。

在无风测试条件下，在输出25A/50A/70A等负载下，对比并联均流，上管并联GaN温差8.5℃，下管并联GaN温差2.9℃@ 70A，并联效果良好。随着负载的增加，并联的温差越来越大，当功率变大后，需要增加散热措施保证并联效果。
 

（2）风冷+散热器

测试条件：Vin:12V,Vout:5V,Fs:300kHz,风冷3m/s，在Bottom层增加散热器，对比75A/100A/120A等输出电流的并联的GaN最高温度，测试时间30min稳定记录温度。

在有风和散热器条件下，对比输出75A/100A/120A的条件,上管并联温差6.2℃，下管并联温差3.8℃@ 120A，增强散热条件下，并联效果良好。

从实验数据可以看出：① GaN适合并联应用场景；② 对于多管并联，需要关注共源电感对称、功率回路对称和驱动回路对称；③ 保证系统的寄生参数的一致性，才能有效保证GaN的可靠性，同时针对不同的功率，需要考虑系统的热措施，保证系统热稳定。 

以上是关于英诺赛科低压氮化镓并联设计的应用指导内容，希望我们的应用指导文档能够帮助您更好地了解并使用氮化镓，提高电源设计的效率。