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评估测量高速GaN晶体管的技术

时间:2018-06-06 作者:宜普电源转换公司Suvankar Biswas、David 阅读:
本文专注于如何基于用户的要求及测量技术,利用测量设备来准确地评估高性能的氮化镓晶体管。此外,本文评估高带宽差分探头与不接地参考波形一起使用时的情况。

氮化镓(GaN)场效应晶体管具备高速的开关速度优势,需要使用良好的测量技术及能够描述高速波形细节的良好技巧来进行评估。本文专注于如何基于用户的要求及测量技术,利用测量设备来准确地评估高性能的氮化镓晶体管。此外,本文评估高带宽差分探头与不接地参考波形一起使用时的情况。

为了阐述各类GaN功率器件的测量技术和要求,我们采用如下的EPC公司的氮化镓场效应晶体管(eGaN FET):(i)高速、10MHz开关频率、基于65V eGaN FET 的EPC8009半桥开发板(图1的Q1和Q2 );以及(ii)低速、500kHz开关频率的EPC9080半桥演示板,该演示板使用100V eGaN FET EPC2045作为顶部开关(Q1)和100V EPC2022作为底部开关(Q2)器件。如图1所示,两个电路板均被配置为降压转换器。

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图1:本文使用的eGaN FET测试板的简化原理图

带宽对测量的影响

示波器和探头系统的最高带宽由[1]给出:

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其中,BW-3dB、BW-3dB,Scope和BW-3dB,Probe分别是系统、示波器和探头对应的带宽(以Hz为单位)。本文使用2GHz示波器(Tektronix MSO 5204)。无源探头(Tektronix TPP1000)的最大带宽为1GHz。示波器和探头之间的较低带宽(1GHz)对系统带宽有更大的影响。

在评估pcb设计的布局时,典型的测量包括上升和下降时间、峰值过冲、下冲和预期的开关节点上升沿振铃频率,这可通过使用振铃频率等式估算:

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在等式2中,Lloop是高频回路电感、由高频去耦电容、eGaN FET(Q1和Q2)以及元件在pcb的连接组成。Co2 = Coss + Cpar包含Coss,它是在Q2阻塞电压下的底侧FET Q2的输出电容。Cpar是开关节点处的寄生和探头电容。本文所用的演示板的Lloop估计约为200-300pH [2]。在测试电压范围内,EPC8009的Coss为30pF[3],此演示板的Cpar约为10pF。这显示fr1~1.6GHz的振铃频率。基于EPC2045EPC2022 的设计具有较大电容,振铃频率估计为fr2~0.44GHz。

从[1]可清楚看出,可用的最高系统带宽低于基于EPC8009的设计的振铃频率。现在我们将观察选择不同的系统带宽如何影响采用更高速的GaN晶体管(如EPC8009)和相对较慢的GaN晶体管(如EPC2045和EPC2022)的开关节点波形。

测量系统就像一个低通滤波器,它减弱高频部分,如图2(顶部)所示。从图2观察到,波形的上升时间显著不同。这可归因于根据以下等式的系统带宽和上升时间之间的关系[1]:

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图2(左)的最快上升时间大约为0.4ns,对应~1GHz的系统带宽。使用带有500MHz带宽数字滤波器的相同探头和示波器,所测的上升时间为0.8ns。显然,信号的上升时间受系统带宽限制。由于测得的上升时间等于计算出的系统上升时间,因此输入信号比测量系统的上升时间较快。因此,输入信号上升时间可能远低于0.4ns。

采用EPC8009的设计所测量到的振铃频率(fr1)为1.176GHz,它采用最高带宽1GHz的探头。图2(顶部)中显示的较低带宽情况进一步降低了测量振铃频率的准确性。当考虑峰值电压过冲时,同样很明显的是,较低带宽测量值会低估各个开关器件的峰值电压。对于与时序相关的死区时间的测量,系统带宽也很重要。如图2(顶部)所示,对于500MHz和1GHz带宽,死区时间是可见的,虽然测量来并不是很精确。在较低带宽下,死区时间几乎不存在。表1显示了采用最高速的EPC8009,系统带宽对关键测量结果的影响。

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图2:探头/系统带宽对波形的影响(顶部是基于EPC8009电路板、底部是基于EPC9080电路板)

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表1:可测量的参数(基于EPC8009电路板)

用EPC9080演示板演示了另一个测试案例,因板上eGaN FET的较低导通电阻和较高电容使得它具有低得多的振铃频率和开关速度[4]。相应的波形如图2所示(下图)。由于fr2低于系统的-3dB频率,因此438MHz振铃频率(fr2)及其使用1GHz(蓝色)探头测得的振幅是正确的。1GHz(蓝色)和500MHz(绿色)波形可准确捕获所有细节。但对于350MHz(橙色)和250MHz(棕色)的系统带宽,fr2高于系统带宽。因此,它捕捉到振铃波形的形状,但明显减弱了振铃,因此低估了过冲。不同系统带宽测得的上升时间约为3ns。根据(2),我们使用的最低的带宽是250MHz,对应于1.6ns的上升时间,并且所有情况下的上升时间都可以准确测量到。表2作出总结。

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表2:可测量的参数(EPC9080)

测量技术

在本文的第二部分,我们将展示如何使用良好的探头技术以及选择测量点来生成高保真度和精确波形的重要性。

1.使用低输入电容的探头并使接地尽可能短

用于无源探头的两类探头接地方案(Tektronix TPP 1000):鳄鱼夹和弹簧夹[5](图3)。

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图3:不同的探头技术

由于使用者可进行一次接地连接,并探测接地引线范围内的多个测试点,因此较长的接地引线很方便。但是,任何一根导线都具有分布电感,并且分布电感随信号频率的增加对交流信号的阻碍越来越大。接地引线的电感与探头输入电容相互作用,在特定频率产生振铃(参见公式2)。这种振铃不可避免,可能被视为衰减振幅的正弦曲线。随着接地导线长度的增加,电感增加、被测信号将在较低频率振铃。

本节测量技术使用EPC9080半桥演示板。开关节点波形在图3所示的两点测量:靠近FET开关节点的“近点”;以及pcb外围引脚端子处的“远点” 。图4显示了每个探测点和配以探头技术所测量的开关节点(VSW)的波形。

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图4:探头技术和选择不同测量点的影响

图4的测得波形清楚地表明,探头技术比测量点的选择重要。虽然有边缘衰减,红色和黑色波形几乎相同。无论测量点的选择如何,使用鳄鱼夹时的波形形状都非常不准确。我们建议,弹簧夹技术应与最靠近功率器件的测量点(“近点”)结合使用。

2.使用隔离的测量系统进行非接地参考高频测量

差分测量描述两个测试点之间的任何测量,但当描述涉及非接地参考测试点的测量时,该术语最常用。测量差分信号的几种常用方法是:(a)计算两个单端探头和示波器来测量差值;(b)使用高带宽高压差分探头;以及(c)使用隔离测量方案[6]。

首先考虑在示波器中使用数学函数的方法,使用两个接地参考探针,测量两个所选的测试点的电压。然后,以数学波形显示两个电压波形之间的差异。差分数学波形是伪差分测量。虽然性能有限,但这种技术可能足以应付采用低共模信号的低频测量。为了正确操作,两个输入必须设置为具有相同的比例因子,并且探头必须是相同型号且非常匹配。探头的衰减/增益、传播延迟和中高频响应之间的任何不匹配,都会导致测量结果不那么准确。共模抑制比(CMRR)在较高频率下性能极差,而大共模信号会使示波器的输入失调。

用于精确差分测量的最佳方法是高性能、隔离式测量解决方案,如Tektronix IsoVu测量系统。在诸如具有大的共模电压和快速边沿速率的半桥电路中,诸如高侧栅-源极电压之类的信号,在高频时若没有高性能的CMRR,就不可能测量到。虽然传统的差分探头在低至几MHz频率时,共模抑制较好,但频率高于几MHz时,其CMRR性能将大幅降低。Tektronix IsoVu等隔离系统可实现在高频下的高性能CMRR。

图5显示了对EPC9080板的高侧栅-源极信号(VGS1)进行的示波器数学技术和隔离测量系统之间的测量结果的差异(图1)。

当电路以所示电压和电流供电时,“嘈杂”环境中的高开关噪声放大了测量之间的差异。由于其高CMRR,使用隔离探头捕获的波形更清晰[7]。

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图5:高侧栅-源极VGS1波形(噪声环境)

总结

本文描述了测量各种基于EPC公司的氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的功率转换器,包括带宽的影响、探头技术和适当使用高带宽隔离探头。面向特定的应用,电路设计人员如果能够使用更好的测量技术和技巧并了解更多关于测量系统的要求,他们可以发挥基于氮化镓技术的设计的最大效能。。

Suvankar Biswas是Efficient Power Conversion(EPC)公司的高级应用工程师、David Reusch是应用工程执行总监及Michael de Rooij是应用工程副总裁。

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