氮化鎵(GaN)場效應電晶體具備高速的開關速度優勢,需要使用良好的測量技術及能夠描述高速波形細節的良好技巧來進行評估。本文描述如何基於用戶的要求及測量技術,利用測量設備來準確地評估高性能的氮化鎵電晶體。此外,本文也評估了高頻寬差分探頭與不接地參考波形一起使用時的情況。

為了闡述各類氮化鎵功率元件的測量技術和要求,我們採用如下的宜普電源轉換的氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET):(1)高速、10MHz開關頻率、基於65V eGaN FET 的EPC8009半橋開發板(圖1的Q1和Q2),以及(2)低速、500kHz開關頻率的EPC9080半橋演示板,該演示板使用100V eGaN FET EPC2045作為頂部開關(Q1)和100V EPC2022作為底部開關(Q2)元件。如圖1所示,兩個電路板均被配置為降壓轉換器。

20180605TA01P1 圖1 本文使用的eGaN FET測試板的簡化原理圖。

頻寬對測量的影響

示波器和探頭系統的最高頻寬由[1]給出:

20180605TA01P1-1

其中,BW-3dB、BW-3dB,Scope和BW-3dB,Probe分別是系統、示波器和探頭對應的頻寬(以Hz為單位)。本文使用2GHz示波器(Tektronix MSO 5204),被動探頭(Tektronix TPP1000)的最大頻寬為1GHz。示波器和探頭之間的較低頻寬(1GHz)對系統頻寬有更大的影響。

在評估PCB設計的佈局時,典型的測量包括上升和下降時間、峰值過衝、下衝和預期的開關節點上升沿振鈴頻率,這可透過使用振鈴頻率等式估算:

20180605TA01P1-2

在公式(2)中,Lloop是高頻回路電感、由高頻去耦電容、eGaN FET(Q1和Q2),以及元件在PCB的連接組成。Co2 = Coss + Cpar包含Coss,它是在Q2阻塞電壓下的底側FET Q2的輸出電容,Cpar是開關節點處的寄生和探頭電容。本文所用的演示板的Lloop估計約為200~300pH[2]。在測試電壓範圍內,EPC8009的Coss為30pF[3],此演示板的Cpar約為10pF,這顯示fr1~1.6GHz的振鈴頻率。基於EPC2045EPC2022的設計具有較大電容,振鈴頻率估計為fr2~0.44GHz。

從[1]可清楚看出,可用的最高系統頻寬低於基於EPC8009的設計的振鈴頻率。現在我們將觀察選擇不同的系統頻寬如何影響採用更高速的GaN電晶體(如EPC8009)和相對較慢的氮化鎵電晶體(如EPC2045和EPC2022)的開關節點波形。

測量系統就像一個低通濾波器,它減弱高頻部份,如圖2(頂部)所示。從圖2觀察到,波形的上升時間顯著不同。這可歸因於根據以下等式的系統頻寬和上升時間之間的關係[1]:

20180605TA01P2-1

圖2(左)的最快上升時間大約為0.4ns,對應~1GHz的系統頻寬。使用帶有500MHz頻寬數位濾波器的相同探頭和示波器,所測的上升時間為0.8ns。顯然,訊號的上升時間受系統頻寬限制。由於測到的上升時間等於計算出的系統上升時間,因此輸入訊號比測量系統的上升時間較快,因此,輸入訊號上升時間可能遠低於0.4ns。

採用EPC8009的設計所測量到的振鈴頻率(fr1)為1.176GHz,它採用最高頻寬1GHz的探頭。圖2(頂部)中顯示的較低頻寬情況進一步降低了測量振鈴頻率的準確性。當考慮峰值電壓過衝時,同樣很明顯的是,較低頻寬測量值會低估各個開關元件的峰值電壓。對於與時序相關的死區時間的測量,系統頻寬也很重要。如圖2(頂部)所示,對於500MHz和1GHz頻寬,死區時間是可見的,雖然測量來並不是很精確。在較低頻寬下,死區時間幾乎不存在。表1顯示了採用最高速的EPC8009,系統頻寬對關鍵測量結果的影響。

20180605TA01P2a

20180605TA01P2b 圖2 探頭/系統頻寬對波形的影響(頂部是基於EPC8009電路板、底部是基於EPC9080電路板)。

20180605TA01P2-2 表1 可測量的參數(基於EPC8009電路板)。

利用EPC9080演示板,我們演示另一個測試案例。由於板上eGaN FET的較低導通電阻和較高電容,使得它具有低很多的振鈴頻率和開關速度[4]。相應的波形如圖2所示(下圖)。由於fr2低於系統的-3dB頻率,因此438MHz振鈴頻率(fr2)及其使用1GHz(藍色)探頭測得的振幅是正確的。1GHz(藍色)和500MHz(綠色)波形可準確描述所有細節,但對於350MHz(橙色)和250MHz(棕色)的系統頻寬,fr2高於系統頻寬。因此,它測量到振鈴波形的形狀,但明顯減弱了振鈴,因此低估了過衝。不同系統頻寬測得的上升時間約為3ns。根據(2),我們使用的最低頻寬是250MHz,對應於1.6ns的上升時間,並且所有情況下的上升時間都可以準確測量到。表2作出總結。

20180605TA01P2-3 表2 可測量的參數(EPC9080)。

測量技術

在本文的第二部份,我們將展示如何使用良好的探頭技術,以及選擇測量點來生成高保真度和精確波形的重要性。

1.使用低輸入電容的探頭並使接地盡可能短

用於被動探頭的兩類探頭接地方案(Tektronix TPP 1000):鱷魚夾和彈簧夾5

20180605TA01P3 圖3 不同的探頭技術。

由於使用者可進行一次接地連接,並探測接地引線範圍內的多個測試點,因此較長的接地引線很方便。但是,任何一根導線都具有分佈電感,並且分佈電感隨訊號頻率的增加對交流訊號的阻礙越來越大。接地引線的電感與探頭輸入電容相互作用,在特定頻率產生振鈴(參看公式2)。這種振鈴不可避免,可能被視為減弱振幅的正弦曲線。隨著接地導線長度的增加,電感增加、被測訊號將在較低頻率振鈴。

本節測量技術使用EPC9080半橋演示板。開關節點波形在圖3所示的兩點測量:靠近FET開關節點的「近點」,以及PCB週邊引腳端子處的「遠點」。圖4顯示了每個探測點和配以探頭技術所測量的開關節點(VSW)的波形。

20180605TA01P4 圖4 探頭技術和選擇不同測量點的影響。

圖4波形清楚地表明,探頭技術比測量點的選擇重要。雖然減弱很微小,紅色和黑色波形幾乎相同。無論測量點的選擇如何,使用鱷魚夾時的波形形狀都非常不準確。我們建議,彈簧夾技術應與最靠近功率器件的測量點(「近點」)結合使用。

2.使用隔離的測量系統進行非接地參考高頻測量

差分測量描述兩個測試點之間的任何測量,但當描述涉及非接地參考測試點的測量時,該術語最常用。測量差分訊號的幾種常用方法是:(a)計算兩個單端探頭和示波器來測量差值;(b)使用高頻寬高壓差分探頭;以及(c)使用隔離測量方案[6]。

首先考慮在示波器中使用數學函數的方法,使用兩個接地參考探針,測量兩個所選的測試點的電壓。然後,以數學波形顯示兩個電壓波形之間的差異。差分數學波形是偽差分測量。雖然性能有限,但這種技術可能足以應付採用低共模訊號的低頻測量。為了正確操作,兩個輸入必須設置為具有相同的比例因數,並且探頭必須是相同型號且非常匹配。探頭的減弱/增益、傳播延遲和中高頻回應之間的任何不匹配,都會導致測量結果不那麼準確。共模抑制比(CMRR)在較高頻率下性能極差,而大共模訊號會使示波器的輸入失調。

用於精確差分測量的最佳方法是高性能、隔離式測量解決方案,如Tektronix IsoVu測量系統。在諸如具有大的共模電壓和快速邊緣速率的半橋電路中,諸如高側閘-源極電壓之類的訊號,在高頻時若沒有高性能的CMRR,就不可能測量到。雖然傳統的差分探頭在低至幾MHz頻率時,共模抑制較好,但頻率高於幾MHz時,其CMRR性能將大幅降低。Tektronix IsoVu等隔離系統可實現在高頻下的高性能CMRR。

圖5顯示了對EPC9080板的高側閘-源極訊號(VGS1)進行的示波器數學技術和隔離測量系統之間的測量結果的差異(圖1)。

當電路以所示電壓和電流供電時,「嘈雜」環境中的高開關雜訊放大了測量之間的差異。由於其高CMRR,使用隔離探頭測量的波形更清晰[7]。

20180605TA01P5 圖5 高側閘-源極VGS1波形(雜訊環境)。

總結

本文描述了測量各種基於EPC的eGaN FET的功率轉換器,包括頻寬的影響、探頭技術和適當使用高頻寬隔離探頭。針對特定的應用,電路設計人員如果能夠使用更好的測量技術和技巧並瞭解更多關於測量系統的要求,他們可以發揮基於氮化鎵技術的設計的最大性能。

參考資料:

1.A. Lidow, J. Strydom, M. De Rooij and D. Reusch, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Second Edition, Wiley, 2014.

2.D. Reusch and J. Glaser, DC-DC Converter Handbook, Power Conversion Publications, 2015.

3.EPC 8009 eGaN FET datasheet.

4.EPC 2022 eGaN FET datasheet.

5.Tektronix TPP 0500 and 1000 passive probe: Instruction.

6.ABC of Probes: A Primer, Tektronix Inc.

7.TIVM Series IsoVu Measurement System: Users Manual, Tektronix Inc.

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