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評估測量高速GaN晶體管的技術(shù)

發(fā)布時間:2018-06-06 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文專注于如何基于用戶的要求及測量技術(shù),利用測量設(shè)備來準確地評估高性能的氮化鎵晶體管。此外,本文評估高帶寬差分探頭與不接地參考波形一起使用時的情況。
 
  
氮化鎵(GaN)場效應(yīng)晶體管具備高速的開關(guān)速度優(yōu)勢,需要使用良好的測量技術(shù)及能夠描述高速波形細節(jié)的良好技巧來進行評估。本文專注于如何基于用戶的要求及測量技術(shù),利用測量設(shè)備來準確地評估高性能的氮化鎵晶體管。此外,本文評估高帶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GaN功率器件的測量技術(shù)和要求,我們采用如下的EPC公司的氮化鎵場效應(yīng)晶體管(eGaN FET):(i)高速、10MHz開關(guān)頻率、基于65V eGaN FET 的EPC8009半橋開發(fā)板(圖1的Q1和Q2 );以及(ii)低速、500kHz開關(guān)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(guān)(Q1)和100V EPC2022作為底部開關(guān)(Q2)器件。如圖1所示,兩個電路板均被配置為降壓轉(zhuǎn)換器。
 

圖1:本文使用的eGaN FET測試板的簡化原理圖
 
帶寬對測量的影響
 
示波器和探頭系統(tǒng)的最高帶寬由[1]給出:
 
 
其中,BW-3dB、BW-3dB,Scope和BW-3dB,Probe分別是系統(tǒng)、示波器和探頭對應(yīng)的帶寬(以Hz為單位)。本文使用2GHz示波器(Tektronix MSO 5204)。無源探頭(Tektronix TPP1000)的最大帶寬為1GHz。示波器和探頭之間的較低帶寬(1GHz)對系統(tǒng)帶寬有更大的影響。
 
在評估PCB設(shè)計的布局時,典型的測量包括上升和下降時間、峰值過沖、下沖和預(yù)期的開關(guān)節(jié)點上升沿振鈴頻率,這可通過使用振鈴頻率等式估算:
 
 
在等式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(cè)FET Q2的輸出電容。Cpar是開關(guān)節(jié)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]。在測試電壓范圍內(nèi),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?;贓PC2045和EPC2022 的設(shè)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(tǒng)帶寬低于基于EPC8009的設(shè)計的振鈴頻率?,F(xiàn)在我們將觀察選擇不同的系統(tǒng)帶寬如何影響采用更高速的GaN晶體管(如EPC8009)和相對較慢的GaN晶體管(如EPC2045和EPC2022)的開關(guān)節(jié)點波形。
 
測量系統(tǒng)就像一個低通濾波器,它減弱高頻部分,如圖2(頂部)所示。從圖2觀察到,波形的上升時間顯著不同。這可歸因于根據(jù)以下等式的系統(tǒng)帶寬和上升時間之間的關(guān)系[1]:
 
 
圖2(左)的最快上升時間大約為0.4ns,對應(yīng)~1GHz的系統(tǒng)帶寬。使用帶有500MHz帶寬數(shù)字濾波器的相同探頭和示波器,所測的上升時間為0.8ns。顯然,信號的上升時間受系統(tǒng)帶寬限制。由于測得的上升時間等于計算出的系統(tǒng)上升時間,因此輸入信號比測量系統(tǒng)的上升時間較快。因此,輸入信號上升時間可能遠低于0.4ns。
 
采用EPC8009的設(shè)計所測量到的振鈴頻率(fr1)為1.176GHz,它采用最高帶寬1GHz的探頭。圖2(頂部)中顯示的較低帶寬情況進一步降低了測量振鈴頻率的準確性。當(dāng)考慮峰值電壓過沖時,同樣很明顯的是,較低帶寬測量值會低估各個開關(guān)器件的峰值電壓。對于與時序相關(guān)的死區(qū)時間的測量,系統(tǒng)帶寬也很重要。如圖2(頂部)所示,對于500MHz和1GHz帶寬,死區(qū)時間是可見的,雖然測量來并不是很精確。在較低帶寬下,死區(qū)時間幾乎不存在。表1顯示了采用最高速的EPC8009,系統(tǒng)帶寬對關(guān)鍵測量結(jié)果的影響。
 
 


圖2:探頭/系統(tǒng)帶寬對波形的影響(頂部是基于EPC8009電路板、底部是基于EPC9080電路板)
 


表1:可測量的參數(shù)(基于EPC8009電路板)
 
用EPC9080演示板演示了另一個測試案例,因板上eGaN FET的較低導(dǎo)通電阻和較高電容使得它具有低得多的振鈴頻率和開關(guān)速度[4]。相應(yīng)的波形如圖2所示(下圖)。由于fr2低于系統(tǒng)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)波形可準確捕獲所有細節(jié)。但對于350MHz(橙色)和250MHz(棕色)的系統(tǒng)帶寬,fr2高于系統(tǒng)帶寬。因此,它捕捉到振鈴波形的形狀,但明顯減弱了振鈴,因此低估了過沖。不同系統(tǒng)帶寬測得的上升時間約為3ns。根據(jù)(2),我們使用的最低的帶寬是250MHz,對應(yīng)于1.6ns的上升時間,并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(jié)。
 


表2:可測量的參數(shù)(EPC9080)
 
測量技術(shù)
 
在本文的第二部分,我們將展示如何使用良好的探頭技術(shù)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并使接地盡可能短
 
用于無源探頭的兩類探頭接地方案(Tektronix TPP 1000):鱷魚夾和彈簧夾[5](圖3)。
 


圖3:不同的探頭技術(shù)
 
由于使用者可進行一次接地連接,并探測接地引線范圍內(nèi)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(dǎo)線都具有分布電感,并且分布電感隨信號頻率的增加對交流信號的阻礙越來越大。接地引線的電感與探頭輸入電容相互作用,在特定頻率產(chǎn)生振鈴(參見公式2)。這種振鈴不可避免,可能被視為衰減振幅的正弦曲線。隨著接地導(dǎo)線長度的增加,電感增加、被測信號將在較低頻率振鈴。
 
本節(jié)測量技術(shù)使用EPC9080半橋演示板。開關(guān)節(jié)點波形在圖3所示的兩點測量:靠近FET開關(guān)節(jié)點的“近點”;以及PCB外圍引腳端子處的“遠點” 。圖4顯示了每個探測點和配以探頭技術(shù)所測量的開關(guān)節(jié)點(VSW)的波形。
 

圖4:探頭技術(shù)和選擇不同測量點的影響
 
圖4的測得波形清楚地表明,探頭技術(shù)比測量點的選擇重要。雖然有邊緣衰減,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(shù)應(yīng)與最靠近功率器件的測量點(“近點”)結(jié)合使用。
 
2.使用隔離的測量系統(tǒng)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(dāng)描述涉及非接地參考測試點的測量時,該術(shù)語最常用。測量差分信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)使用高帶寬高壓差分探頭;以及(c)使用隔離測量方案[6]。
 
首先考慮在示波器中使用數(shù)學(xué)函數(shù)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。然后,以數(shù)學(xué)波形顯示兩個電壓波形之間的差異。差分數(shù)學(xué)波形是偽差分測量。雖然性能有限,但這種技術(shù)可能足以應(yīng)付采用低共模信號的低頻測量。為了正確操作,兩個輸入必須設(shè)置為具有相同的比例因子,并且探頭必須是相同型號且非常匹配。探頭的衰減/增益、傳播延遲和中高頻響應(yīng)之間的任何不匹配,都會導(dǎo)致測量結(jié)果不那么準確。共模抑制比(CMRR)在較高頻率下性能極差,而大共模信號會使示波器的輸入失調(diào)。
 
用于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(tǒng)。在諸如具有大的共模電壓和快速邊沿速率的半橋電路中,諸如高側(cè)柵-源極電壓之類的信號,在高頻時若沒有高性能的CMRR,就不可能測量到。雖然傳統(tǒng)的差分探頭在低至幾MHz頻率時,共模抑制較好,但頻率高于幾MHz時,其CMRR性能將大幅降低。Tektronix IsoVu等隔離系統(tǒng)可實現(xiàn)在高頻下的高性能CMRR。
 
圖5顯示了對EPC9080板的高側(cè)柵-源極信號(VGS1)進行的示波器數(shù)學(xué)技術(shù)和隔離測量系統(tǒng)之間的測量結(jié)果的差異(圖1)。
 
當(dāng)電路以所示電壓和電流供電時,“嘈雜”環(huán)境中的高開關(guān)噪聲放大了測量之間的差異。由于其高CMRR,使用隔離探頭捕獲的波形更清晰[7]。
 


圖5:高側(cè)柵-源極VGS1波形(噪聲環(huán)境)
 
總結(jié)
 
本文描述了測量各種基于EPC公司的氮化鎵場效應(yīng)晶體管(eGaN FET)的功率轉(zhuǎn)換器,包括帶寬的影響、探頭技術(shù)和適當(dāng)使用高帶寬隔離探頭。面向特定的應(yīng)用,電路設(shè)計人員如果能夠使用更好的測量技術(shù)和技巧并了解更多關(guān)于測量系統(tǒng)的要求,他們可以發(fā)揮基于氮化鎵技術(shù)的設(shè)計的最大效能。

 
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