SiC和GaN系統設計工程師不再迷茫

   SiC和GaN MOSFET技術(shù)的出現，正推動(dòng)著(zhù)功率電子行業(yè)發(fā)生顛覆式變革。這些新材料把整個(gè)電源轉換系統的效率提高了多個(gè)百分點(diǎn)，而這在幾年前是不可想象的。

　　在現實(shí)世界中，沒(méi)有理想的開(kāi)關(guān)特性。但基于新材料、擁有超低開(kāi)關(guān)損耗的多種寬禁帶器件正在出現，既能實(shí)現低開(kāi)關(guān)損耗，又能處理超高速率dv/dt轉換，并支持超快速開(kāi)關(guān)頻率，使得這些新技術(shù)既成就了DC/DC轉換器設計工程師的美夢(mèng)，但同時(shí)也變成了他們的惡夢(mèng)。

　　比如一名設計工程師正在開(kāi)發(fā)功率轉換應用，如逆變器或馬達驅動(dòng)控制器，或者正在設計功率因數校正電路 (PFC)，需要把電源效率提高到99%甚至接近極限。他們會(huì )面臨什么樣的挑戰呢?

　　使用低損耗晶體管只是他們必須翻越的整座大山的第一步。全面隔離的柵極驅動(dòng)器電路必須能夠正確驅動(dòng)和控制功率等級，這會(huì )產(chǎn)生多個(gè)必須解決的問(wèn)題，從隔離到電路保護技術(shù)，來(lái)避免所謂“饋通”問(wèn)題的引起的潛在災難。

　　在設計高頻轉換器時(shí)，大部分設計時(shí)間用在仿真和驗證上，以確認已經(jīng)考慮并解決所有可能的問(wèn)題。

　　一個(gè)天才的PCB設計師可以在布線(xiàn)上做到完美，但寄生信號仍然存在，且潛伏在每個(gè)角落，這就夠設計團隊忙的了，當然在這個(gè)過(guò)程中他們可以對新器件封裝、新系統布線(xiàn)和新拓撲方面積累經(jīng)驗。毋庸置疑，如果切換到新的SiC和GaN器件是非常復雜。

　　這種情況在功率系統設計項目中相當常見(jiàn)。將PFC/電源市場(chǎng)與光伏逆變器市場(chǎng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，把xEV汽車(chē)市場(chǎng)與消費無(wú)線(xiàn)充電應用關(guān)聯(lián)起來(lái)，這是將SiC和GaN技術(shù)發(fā)揮最大化的共同期待愿望。

　　當然，這些不同應用系統之間的要求差異很大。設計人員對半導體器件的電場(chǎng)強度、導通電阻或阻斷電壓要求，可能會(huì )迫使其轉入非常具體、非常窄的泳道。而不管是在250kHz下使用SiC 的20kW電動(dòng)汽車(chē)充電樁設計人員，還是開(kāi)發(fā)6.78MHz基于GaN的無(wú)線(xiàn)功率設計的諧振拓撲設計人員，他們都面臨著(zhù)許多共同的問(wèn)題。

　　在這兩種情況下，設計人員都需要以高精度清楚地表征靜態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。他們都需要清楚地處理和管理散熱問(wèn)題，量化冷卻介質(zhì)。他們的桌子上可能都擺著(zhù)一大本新一代變壓器、電感器和電容器產(chǎn)品目錄，而他們以前從來(lái)沒(méi)用過(guò)這類(lèi)產(chǎn)品。當面臨EMC驗證時(shí)，他們會(huì )非常擔心焊接式探頭接入線(xiàn)可能會(huì )變成迷你天線(xiàn)。

　　他們還開(kāi)始認識到，他們過(guò)去使用的儀器及附件可能不足以滿(mǎn)足當前測試需求。

　　他們必需測試幾千伏的擊穿電壓，同時(shí)檢測低至飛安級的泄漏電流。電源、萬(wàn)用表、示波器，是否還能勝任完成任務(wù)呢?

　　由于必須同時(shí)測量所有這些MOSFET Vgs和Vds及電流，在精確表征時(shí)延的前提下，他們還能使用四通道示波器和一些外部觸發(fā)信號技巧來(lái)實(shí)現同步嗎?他們應該花多少時(shí)間對波形進(jìn)行后期處理并將它們全部放在一起以形成對電路特性的判斷?他們是否有足夠的靈敏度，在舊示波器上進(jìn)行柵極閾值電壓測量，以及在屏幕上追蹤振蕩，它們是真實(shí)的還是來(lái)自探頭引線(xiàn)?

　　SiC和GaN也不例外，設計人員幾乎全都遇到過(guò)多個(gè)痛點(diǎn)和測量挑戰，包括：

• 　　 高dv/dt、高di/dt和高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生EMI相關(guān)的問(wèn)題

• 　　 在高共模電流的情況下測量低電壓

• 　　 高壓過(guò)沖

• 　　 PCB布線(xiàn)設計中的串擾和其他問(wèn)題

• 　　 確定來(lái)自測量系統的錯誤百分比

　　Vgs測量問(wèn)題

　　在另一個(gè)領(lǐng)域設計如相臂或半橋拓撲結構中，設計人員竭力測量拓撲中的Vgs，如圖1所示。

　　圖1：典型的相臂或半橋拓撲結構。

　　在這種結構中，當一個(gè)SiC MOSFET開(kāi)啟時(shí)，超高dv/dt包括互補MOSFET的門(mén)極到源極電壓(Vgs)，如圖2所示。

　　圖2：Vgs測量的相關(guān)挑戰示意圖。

　　當然，您不希望降低dv/dt，因為高的轉換速率才能讓這些器件實(shí)現最低的開(kāi)關(guān)損耗。

　　因此，必須用不同的方式解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)在柵極驅動(dòng)器側工作以主動(dòng)控制切換過(guò)程中兩級的柵極電阻。

　　此外，資深的PCB設計人員必須確?？偩€(xiàn)和連接通路實(shí)現最小的電感效應，以免對電感環(huán)路引起的電壓和過(guò)沖振鈴帶來(lái)太多影響。在實(shí)際電路中，必須同時(shí)測量高壓側和低壓側Vgs，來(lái)驗證所有這些單元，以表征脈寬調制(PWM)延遲時(shí)間，最大限度地降低死區時(shí)間，提高性能。然后您必需測量電流及兩個(gè)Vds，以全面表征開(kāi)關(guān)損耗。

　　四通道示波器不足以勝任這一工作，典型的8位ADC沒(méi)有提供足夠的垂直分辨率。此外，現在已經(jīng)證實(shí)，大多數實(shí)驗室中常用的探頭也是不夠的，其中也包括性能較好的差分探頭，而傳統上一直認為這些探頭足以在高壓側進(jìn)行浮動(dòng)測量。

　　傳統差分探頭是基于與地連接的差分放大器。這種接地方式限制了共模電壓范圍，導致共模電壓頻率額定值降低，產(chǎn)生接地環(huán)路，并限制了共模抑制。

　　幸運的是，就像寬禁帶器件產(chǎn)生顛覆式變革一樣，電源效率測量解決方案也在發(fā)生顛覆式變革。

　　新型測量解決方案

　　這個(gè)領(lǐng)域中的典型測量系統基于示波器和差分探頭，差分探頭在被測器件(DUT)與示波器之間提供連接。示波器選型至關(guān)重要，包括適當的帶寬、本底噪聲、垂直分辨率、通道數量和應用軟件。探頭選型也至關(guān)重要，因為探頭性能可能會(huì )成為測量系統的限制因素。

　　在需要進(jìn)行差分測量時(shí)，由于共模抑制比的限制、幅度特性下降、頻響及探頭輸入引線(xiàn)導致的寄生信號等限制，上述傳統差分探頭通常不能很好地表征實(shí)際信號。在測試SiC和GaN功率器件時(shí)，因為SiC和GaN功率器件的開(kāi)關(guān)速度快，標稱(chēng)共模電壓高，這些限制影響會(huì )進(jìn)一步放大。

　　圖3：IsoVu測量系統。

　　由于捕獲這些信號的問(wèn)題源自接地需求，因此可行的解決方案應該是不依賴(lài)接地的探頭技術(shù)，由于不依賴(lài)接地，所以其或多或少不受高共模電壓的影響。泰克科技公司開(kāi)發(fā)的IsoVu測量系統可以實(shí)現以上的測試需求，其完全通過(guò)光纖進(jìn)行操作。

　　IsoVu測量系統是Vgs測量的一個(gè)飛躍，也是唯一同時(shí)擁有必須高帶寬、高共模電壓和高共模抑制比的解決方案，能夠實(shí)現寬禁帶MOSFET的新應用中所需的差分測量。IsoVu與DUT完全實(shí)現電信號隔離，采用光電傳感器，把輸入信號轉換成光調制，在電氣上把DUT與示波器隔開(kāi)。

　　傳感器頭連接到測試點(diǎn)上，全面實(shí)現電隔離，通過(guò)其中一條光纖供電。探頭尖直到連接點(diǎn)全程屏蔽，最大限度地降低寄生信號。探頭不僅為功率轉換測試提供了明顯的優(yōu)勢，還特別適合嚴格的EMI和ESD測試要求。

　　與電氣探頭要盡可能短不同，電纜長(cháng)度對基于光纖的測量系統并不是問(wèn)題。在DUT與示波器必須(或應該)相距一定距離時(shí)，遠程測量功能會(huì )非常有用。

　　圖4：泰克示波器。

　　IsoVu系統適用于大多數泰克示波器，但最佳搭檔是與新型5系列MSO示波器的12位垂直分辨率結合使用，5系列示波器在一臺儀器中提供了最多8條模擬通道，同時(shí)還提供了高級功率分析軟件。憑借這種組合，設計人員終于可以利用寬禁帶材料為DC到DC功率轉換器提供的所有優(yōu)勢，同時(shí)對三相功率電子、電源設計、汽車(chē)電子等也是明顯的進(jìn)步。

    作者：泰克科技公司，Andrea Vinci / Tom Neville