如何利用測(cè)量設(shè)備來準(zhǔn)確地評(píng)估高性能的氮化鎵晶體管

氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管具備高速的開關(guān)速度優(yōu)勢(shì)，需要使用良好的測(cè)量技術(shù)及能夠描述高速波形細(xì)節(jié)的良好技巧來進(jìn)行評(píng)估。本文專注于如何基于用戶的要求及測(cè)量技術(shù)，利用測(cè)量設(shè)備來準(zhǔn)確地評(píng)估高性能的氮化鎵晶體管。此外，本文評(píng)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GaN功率器件的測(cè)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(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 FETEPC2045作為頂部開關(guān)（Q1）和100VEPC2022作為底部開關(guān)（Q2）器件。如圖1所示，兩個(gè)電路板均被配置為降壓轉(zhuǎn)換器。

圖1：本文使用的eGaN FET測(cè)試板的簡化原理圖

帶寬對(duì)測(cè)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(duì)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(duì)系統(tǒng)帶寬有更大的影響。

在評(píng)估PCB設(shè)計(jì)的布局時(shí)，典型的測(cè)量包括上升和下降時(shí)間、峰值過沖、下沖和預(yù)期的開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處的寄生和探頭電容。本文所用的演示板的Lloop估計(jì)約為200-300pH [2]。在測(cè)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。基于EPC2045和EPC2022的設(shè)計(jì)具有較大電容，振鈴頻率估計(jì)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(jì)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(duì)較慢的GaN晶體管（如EPC2045和EPC2022）的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。

測(cè)量系統(tǒng)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觀察到，波形的上升時(shí)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(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(duì)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(cè)的上升時(shí)間為0.8ns。顯然，信號(hào)的上升時(shí)間受系統(tǒng)帶寬限制。由于測(cè)得的上升時(shí)間等于計(jì)算出的系統(tǒng)上升時(shí)間，因此輸入信號(hào)比測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間較快。因此，輸入信號(hào)上升時(shí)間可能遠(yuǎn)低于0.4ns。

采用EPC8009的設(shè)計(jì)所測(cè)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(cè)量振鈴頻率的準(zhǔn)確性。當(dāng)考慮峰值電壓過沖時(shí)，同樣很明顯的是，較低帶寬測(cè)量值會(huì)低估各個(gè)開關(guān)器件的峰值電壓。對(duì)于與時(shí)序相關(guān)的死區(qū)時(shí)間的測(cè)量，系統(tǒng)帶寬也很重要。如圖2（頂部）所示，對(duì)于500MHz和1GHz帶寬，死區(qū)時(shí)間是可見的，雖然測(cè)量來并不是很精確。在較低帶寬下，死區(qū)時(shí)間幾乎不存在。表1顯示了采用最高速的EPC8009，系統(tǒng)帶寬對(duì)關(guān)鍵測(cè)量結(jié)果的影響。

圖2：探頭/系統(tǒng)帶寬對(duì)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(cè)量的參數(shù)（基于EPC8009電路板）

用EPC9080演示板演示了另一個(gè)測(cè)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(lán)色）探頭測(cè)得的振幅是正確的。1GHz（藍(lán)色）和500MHz（綠色）波形可準(zhǔn)確捕獲所有細(xì)節(jié)。但對(duì)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(cè)得的上升時(shí)間約為3ns。根據(jù)（2），我們使用的最低的帶寬是250MHz，對(duì)應(yīng)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(zhǔn)確測(cè)量到。表2作出總結(jié)。

表2：可測(cè)量的參數(shù)（EPC9080）

測(cè)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(cè)量點(diǎn)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(jìn)行一次接地連接，并探測(cè)接地引線范圍內(nèi)的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，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(hào)頻率的增加對(duì)交流信號(hào)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(cè)信號(hào)將在較低頻率振鈴。

本節(jié)測(cè)量技術(shù)使用EPC9080半橋演示板。開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形在圖3所示的兩點(diǎn)測(cè)量：靠近FET開關(guān)節(jié)點(diǎn)的“近點(diǎn)”；以及PCB外圍引腳端子處的“遠(yuǎn)點(diǎn)” 。圖4顯示了每個(gè)探測(cè)點(diǎn)和配以探頭技術(shù)所測(cè)量的開關(guān)節(jié)點(diǎn)（VSW）的波形。

圖4：探頭技術(shù)和選擇不同測(cè)量點(diǎn)的影響

圖4的測(cè)得波形清楚地表明，探頭技術(shù)比測(cè)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。無論測(cè)量點(diǎn)的選擇如何，使用鱷魚夾時(shí)的波形形狀都非常不準(zhǔn)確。我們建議，彈簧夾技術(shù)應(yīng)與最靠近功率器件的測(cè)量點(diǎn)（“近點(diǎn)”）結(jié)合使用。

2.使用隔離的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行非接地參考高頻測(cè)量

差分測(cè)量描述兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的任何測(cè)量，但當(dāng)描述涉及非接地參考測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量時(shí)，該術(shù)語最常用。測(cè)量差分信號(hào)的幾種常用方法是：（a）計(jì)算兩個(gè)單端探頭和示波器來測(cè)量差值；（b）使用高帶寬高壓差分探頭；以及（c）使用隔離測(cè)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(gè)接地參考探針，測(cè)量兩個(gè)所選的測(cè)試點(diǎn)的電壓。然后，以數(shù)學(xué)波形顯示兩個(gè)電壓波形之間的差異。差分?jǐn)?shù)學(xué)波形是偽差分測(cè)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(hào)的低頻測(cè)量。為了正確操作，兩個(gè)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(hào)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(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不那么準(zhǔn)確。共模抑制比（CMRR）在較高頻率下性能極差，而大共模信號(hào)會(huì)使示波器的輸入失調(diào)。

用于精確差分測(cè)量的最佳方法是高性能、隔離式測(cè)量解決方案，如Tektronix IsoVu測(cè)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(hào)，在高頻時(shí)若沒有高性能的CMRR，就不可能測(cè)量到。雖然傳統(tǒng)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在高頻下的高性能CMRR。

圖5顯示了對(duì)EPC9080板的高側(cè)柵-源極信號(hào)（VGS1）進(jìn)行的示波器數(shù)學(xué)技術(shù)和隔離測(cè)量系統(tǒng)之間的測(cè)量結(jié)果的差異（圖1）。

當(dāng)電路以所示電壓和電流供電時(shí)，“嘈雜”環(huán)境中的高開關(guān)噪聲放大了測(cè)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(cè)量各種基于EPC公司的氮化鎵場(chǎng)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(jì)人員如果能夠使用更好的測(cè)量技術(shù)和技巧并了解更多關(guān)于測(cè)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(jì)的最大效能。