如何利用測量設備來(lái)準確地評估高性能的氮化鎵晶體管

氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應晶體管具備高速的開(kāi)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的良好技巧來(lái)進(jìn)行評估。本文專(zhuān)注于如何基于用戶(hù)的要求及測量技術(shù)，利用測量設備來(lái)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(shí)的情況。

為了闡述各類(lèi)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(chǎng)效應晶體管（eGaN FET）：（i）高速、10MHz開(kāi)關(guān)頻率、基于65V eGaN FET 的EPC8009半橋開(kāi)發(fā)板（圖1的Q1和Q2 ）；以及（ii）低速、500kHz開(kāi)關(guān)頻率的EPC9080半橋演示板，該演示板使用100V eGaN FETEPC2045作為頂部開(kāi)關(guān)（Q1）和100VEPC2022作為底部開(kāi)關(guān)（Q2）器件。如圖1所示，兩個(gè)電路板均被配置為降壓轉換器。

圖1：本文使用的eGaN FET測試板的簡(jiǎn)化原理圖

帶寬對測量的影響

示波器和探頭系統的最高帶寬由[1]給出：

其中，BW-3dB、BW-3dB,Scope和BW-3dB,Probe分別是系統、示波器和探頭對應的帶寬（以Hz為單位）。本文使用2GHz示波器（Tektronix MSO 5204）。無(wú)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）對系統帶寬有更大的影響。

在評估PCB設計的布局時(shí)，典型的測量包括上升和下降時(shí)間、峰值過(guò)沖、下沖和預期的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上升沿振鈴頻率，這可通過(guò)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FET Q2的輸出電容。Cpar是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)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，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，可用的最高系統帶寬低于基于EPC8009的設計的振鈴頻率?，F在我們將觀(guān)察選擇不同的系統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(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形。

測量系統就像一個(gè)低通濾波器，它減弱高頻部分，如圖2（頂部）所示。從圖2觀(guān)察到，波形的上升時(shí)間顯著(zhù)不同。這可歸因于根據以下等式的系統帶寬和上升時(shí)間之間的關(guān)系[1]：

圖2（左）的最快上升時(shí)間大約為0.4ns，對應~1GHz的系統帶寬。使用帶有500MHz帶寬數字濾波器的相同探頭和示波器，所測的上升時(shí)間為0.8ns。顯然，信號的上升時(shí)間受系統帶寬限制。由于測得的上升時(shí)間等于計算出的系統上升時(shí)間，因此輸入信號比測量系統的上升時(shí)間較快。因此，輸入信號上升時(shí)間可能遠低于0.4ns。

采用EPC8009的設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(jìn)一步降低了測量振鈴頻率的準確性。當考慮峰值電壓過(guò)沖時(shí)，同樣很明顯的是，較低帶寬測量值會(huì )低估各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的峰值電壓。對于與時(shí)序相關(guān)的死區時(shí)間的測量，系統帶寬也很重要。如圖2（頂部）所示，對于500MHz和1GHz帶寬，死區時(shí)間是可見(jiàn)的，雖然測量來(lái)并不是很精確。在較低帶寬下，死區時(shí)間幾乎不存在。表1顯示了采用最高速的EPC8009，系統帶寬對關(guān)鍵測量結果的影響。

圖2：探頭/系統帶寬對波形的影響（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（基于EPC8009電路板）

用EPC9080演示板演示了另一個(gè)測試案例，因板上eGaN FET的較低導通電阻和較高電容使得它具有低得多的振鈴頻率和開(kāi)關(guān)速度[4]。相應的波形如圖2所示（下圖）。由于fr2低于系統的-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）波形可準確捕獲所有細節。但對于350MHz（橙色）和250MHz（棕色）的系統帶寬，fr2高于系統帶寬。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(guò)沖。不同系統帶寬測得的上升時(shí)間約為3ns。根據（2），我們使用的最低的帶寬是250MHz，對應于1.6ns的上升時(shí)間，并且所有情況下的上升時(shí)間都可以準確測量到。表2作出總結。

表2：可測量的參數（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(diǎn)來(lái)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(wú)源探頭的兩類(lèi)探頭接地方案（Tektronix TPP 1000）：鱷魚(yú)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(jìn)行一次接地連接，并探測接地引線(xiàn)范圍內的多個(gè)測試點(diǎn)，因此較長(cháng)的接地引線(xiàn)很方便。但是，任何一根導線(xiàn)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(lái)越大。接地引線(xiàn)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(jiàn)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(xiàn)。隨著(zhù)接地導線(xiàn)長(cháng)度的增加，電感增加、被測信號將在較低頻率振鈴。

本節測量技術(shù)使用EPC9080半橋演示板。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形在圖3所示的兩點(diǎn)測量：靠近FET開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的“近點(diǎn)”；以及PCB外圍引腳端子處的“遠點(diǎn)” 。圖4顯示了每個(gè)探測點(diǎn)和配以探頭技術(shù)所測量的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（VSW）的波形。

圖4：探頭技術(shù)和選擇不同測量點(diǎn)的影響

圖4的測得波形清楚地表明，探頭技術(shù)比測量點(diǎn)的選擇重要。雖然有邊緣衰減，紅色和黑色波形幾乎相同。無(wú)論測量點(diǎn)的選擇如何，使用鱷魚(yú)夾時(shí)的波形形狀都非常不準確。我們建議，彈簧夾技術(shù)應與最靠近功率器件的測量點(diǎn)（“近點(diǎn)”）結合使用。

2.使用隔離的測量系統進(jìn)行非接地參考高頻測量

差分測量描述兩個(gè)測試點(diǎn)之間的任何測量，但當描述涉及非接地參考測試點(diǎn)的測量時(shí)，該術(shù)語(yǔ)最常用。測量差分信號的幾種常用方法是：（a）計算兩個(gè)單端探頭和示波器來(lái)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學(xué)函數的方法，使用兩個(gè)接地參考探針，測量?jì)蓚€(gè)所選的測試點(diǎn)的電壓。然后，以數學(xué)波形顯示兩個(gè)電壓波形之間的差異。差分數學(xué)波形是偽差分測量。雖然性能有限，但這種技術(shù)可能足以應付采用低共模信號的低頻測量。為了正確操作，兩個(gè)輸入必須設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之間的任何不匹配，都會(huì )導致測量結果不那么準確。共模抑制比（CMRR）在較高頻率下性能極差，而大共模信號會(huì )使示波器的輸入失調。

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。在諸如具有大的共模電壓和快速邊沿速率的半橋電路中，諸如高側柵-源極電壓之類(lèi)的信號，在高頻時(shí)若沒(méi)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(shí)，共模抑制較好，但頻率高于幾MHz時(shí)，其CMRR性能將大幅降低。Tektronix IsoVu等隔離系統可實(shí)現在高頻下的高性能CMRR。

圖5顯示了對EPC9080板的高側柵-源極信號（VGS1）進(jìn)行的示波器數學(xué)技術(shù)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(shí)，“嘈雜”環(huán)境中的高開(kāi)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：高側柵-源極VGS1波形（噪聲環(huán)境）

總結

本文描述了測量各種基于EPC公司的氮化鎵場(chǎng)效應晶體管（eGaN FET）的功率轉換器，包括帶寬的影響、探頭技術(shù)和適當使用高帶寬隔離探頭。面向特定的應用，電路設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)于測量系統的要求，他們可以發(fā)揮基于氮化鎵技術(shù)的設計的最大效能。