高速GaN开关变换器的杂散噪声抑制方法

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Ringing Noise Reduction Method for High-Speed GaN Switching Converter

GaN-HEMTs高频开关电路中，通过电磁探针定位并测量寄生电感，并联1nF电容实现振铃电压峰值抑制18%，实验与SPICE仿真结果一致，无需复杂电路布局。

　　在现代电子技术的快速发展中，高功率、高频率的开关电路成为电力电子领域的重要研究方向。特别是基于氮化镓（GaN）的高电子迁移率晶体管（HEMTs）因其高击穿电场和高电子迁移率，被广泛应用于高功率和高速开关设备中。这些特性使得GaN-HEMTs在电力转换器中具有显著优势，例如能够使用更小尺寸的被动元件，如电感器、电容器和变压器，从而实现更紧凑的结构和更高的功率密度。然而，随着开关频率的提高，电路中的寄生元件会导致“振铃”噪声的产生，这种噪声不仅可能超过开关器件的击穿电压，从而引发设备损坏，还可能对电磁干扰（EMI）产生严重影响，限制了电力转换器的商业化应用。

因此，如何有效抑制振铃噪声成为研究的重点。传统的解决方法包括安装栅极电阻、使用缓冲电路（snubber circuit）等，但这些方法往往伴随着较高的开关损耗或电路复杂性的增加，从而影响系统的效率和成本。此外，由于GaN-HEMTs的高速特性，常规的电流探头难以准确捕捉到开关过程中的瞬态电流变化，使得对寄生电感的评估变得困难。在这种背景下，研究者提出了一种新的方法，通过在电路中并联额外的电容来减少振铃噪声，而无需对原有电路布局进行大幅修改。

该方法的核心在于识别导致振铃噪声的寄生电感位置，并通过插入并联电容来释放寄生电感中积累的电能。具体而言，研究团队利用辐射电磁场测量技术，结合电磁探针对电路中的电流路径进行分析，从而确定寄生电感的分布区域。通过改变供电电压并测量振铃噪声的频率变化，他们进一步估计了寄生电感的值。结果显示，在12 V供电电压和1 MHz开关频率下，振铃噪声峰值电压可以降低约18%。这一结果通过SPICE基仿真验证，表明并联电容的引入能够有效抑制振铃噪声。

为了实现这一目标，研究团队在电路中选择了一个具有较强磁场分布的区域，将额外的电容（记为Cthr）安装在此处。通过实验和仿真对比，他们发现Cthr的值在2到4倍于GaN-HEMTs的输出电容（Coss）范围内时，能够显著降低振铃噪声的强度。值得注意的是，当Cthr的值超过一定范围时，其抑制效果反而会减弱，因为电容的增加可能导致高频段的传输特性增强，从而影响噪声抑制的整体效果。此外，研究还表明，即使在使用硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）或硅基超级结MOSFETs（SJMOSFETs）的情况下，该方法同样能够有效减少振铃噪声，说明其具有较好的通用性和适应性。

在实验过程中，研究团队使用了GaN半桥评估板，并在消声室中进行了辐射电磁场谱的测量。通过对不同供电电压下的振铃噪声频率进行分析，他们成功识别了寄生电感的位置，并验证了其对振铃噪声的影响。实验结果表明，安装Cthr后，振铃噪声的峰值电压显著降低，且输出电压几乎不受影响，这表明该方法不仅能够有效抑制噪声，还不会对系统的整体性能造成负面影响。进一步的仿真分析也支持了这一结论，显示在引入Cthr后，振铃噪声的振荡更快地趋于稳定，从而减少了电磁干扰的强度。

从实际应用的角度来看，这种基于并联电容的噪声抑制方法具有诸多优势。首先，它不需要对电路布局进行复杂的修改，因此在设计和制造过程中更加便捷。其次，由于仅需添加少量电容，对电路的体积和成本影响较小，有利于实现更小型化、高密度的电力转换器。此外，该方法在不同类型的开关器件中均表现出良好的效果，具有广泛的适用性。因此，它不仅适用于GaN-HEMTs电路，也适用于传统的硅基开关电路，为降低电磁干扰提供了一种灵活且高效的解决方案。

随着电力电子技术的不断进步，高频率、高效率的开关电路正逐渐成为主流。然而，振铃噪声的抑制仍然是一个重要的技术挑战。传统的缓冲电路虽然能够有效减少噪声，但往往需要增加额外的元件和复杂的控制逻辑，这在一定程度上限制了其在实际应用中的推广。相比之下，基于并联电容的噪声抑制方法提供了一种更为简单、直接的解决方案。它通过在电路中合理布局电容，使其与寄生电感形成并联结构，从而吸收或分流振铃能量，降低噪声峰值。这种方法不仅能够减少设备损坏的风险，还能满足日益严格的EMI法规要求。

此外，该方法的实施并不依赖于对电流波形的直接测量，而是通过辐射电磁场谱和频率分析来确定寄生电感的位置和值。这为那些无法使用传统电流探头进行测量的高频率电路提供了一种可行的评估手段。研究团队通过实验和仿真相结合的方式，验证了该方法的有效性，并进一步探讨了不同电容值对噪声抑制效果的影响。结果显示，当Cthr的值在2到4倍于Coss时，噪声抑制效果最佳，而当电容值过高时，反而可能降低整体性能。因此，合理选择电容值是实现最佳噪声抑制效果的关键。

在实际应用中，这种基于并联电容的噪声抑制技术可以显著提升电力转换器的性能和可靠性。特别是在高频率、高功率的应用场景中，如数据中心电源、电动汽车充电系统和工业自动化设备中，该方法能够有效减少电磁干扰，提高系统的稳定性和效率。同时，由于其结构简单，易于集成，这种方法有望在未来的电力电子设备中得到更广泛的应用。研究团队还指出，该方法可以与其他噪声抑制技术相结合，进一步优化系统的整体性能。

总之，基于并联电容的噪声抑制方法为高频率开关电路提供了一种高效、简单且实用的解决方案。通过合理布局电容，能够有效吸收或分流振铃能量，从而降低噪声峰值，提高系统的可靠性和性能。这一方法不仅适用于GaN-HEMTs电路，也适用于传统的硅基开关电路，具有广泛的适用性和推广价值。随着电力电子技术的不断发展，该方法有望成为抑制振铃噪声的重要手段，为实现更高效、更环保的电力转换系统做出贡献。