【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(zhǔn)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(xì)節(jié)的良好技巧來進(jìn)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(zhǔn)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(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。現(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(diǎn)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(yuǎn)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(jìn)一步降低了測量振鈴頻率的準(zhǔn)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(lán)色）探頭測得的振幅是正確的。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(zhǔn)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(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，并探測接地引線范圍內(nèi)的多個測試點(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(diǎn)波形在圖3所示的兩點(diǎn)測量：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顯示了每個探測點(diǎn)和配以探頭技術(shù)所測量的開關(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。無論測量點(diǎn)的選擇如何，使用鱷魚夾時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量點(diǎn)（“近點(diǎn)”）結(jié)合使用。
2.使用隔離的測量系統(tǒng)進(jìn)行非接地參考高頻測量
差分測量描述兩個測試點(diǎn)之間的任何測量，但當(dāng)描述涉及非接地參考測試點(diǎn)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(diǎn)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?jǐn)?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(zhǔn)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(shí)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(jìn)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。
