氮化镓（GaN）場效應晶體管具備高速的開關速度優勢，需要使用良好的測量技術及能夠描述高速波形細節的良好技巧來進行評估。benwenzhuanzhuyuruhejiyuyonghudeyaoqiujiceliangjishu，liyongceliangshebeilaizhunquedipinggugaoxingnengdedanhuajiajingtiguan。ciwai
，benwenpinggugaodaikuanchafentantouyubujiedicankaoboxingyiqishiyongshideqingkuang。

 

為了闡述各類GaN功率器件的測量技術和要求，我們采用如下的EPC公司的氮化镓場效應晶體管（eGaN FET）：（i）高速
、10MHz開關頻率、基於65V eGaN FET 的EPC8009半橋開發板（圖1的Q1和Q2 ）；以及（ii）低速
、500kHz開關頻率的EPC9080半橋演示板，該演示板使用100V eGaN FET EPC2045作為頂部開關（Q1）和100V EPC2022作為底部開關（Q2）器件。如圖1所示
，兩個電路板均被配置為降壓轉換器。

 

圖1：本文使用的eGaN FET測試板的簡化原理圖

 

 

示波器和探頭係統的最高帶寬由[1]給出：

 

 

其中，BW-3dB、BW-3dB,Scope和BW-3dB,Probe分別是係統、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）對係統帶寬有更大的影響。

 

在評估PCB設計的布局時，典型的測量包括上升和下降時間、峰值過衝、下衝和預期的開關節點上升沿振鈴頻率
，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FET Q2的輸出電容。Cpar是開關節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]。在測試電壓範圍內，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。基於EPC2045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
，可用的最高係統帶寬低於基於EPC8009的設計的振鈴頻率。現在我們將觀察選擇不同的係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）的開關節點波形。

 

測量係統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。這可歸因於根據以下等式的係統帶寬和上升時間之間的關係[1]：

 

 

圖2（左）的最快上升時間大約為0.4ns

，對應~1GHz的係統帶寬。使用帶有500MHz帶寬數字濾波器的相同探頭和示波器，所測的上升時間為0.8ns。xianran
，xinhaodeshangshengshijianshouxitongdaikuanxianzhi。youyucededeshangshengshijiandengyujisuanchudexitongshangshengshijian，yincishuruxinhaobiceliangxitongdeshangshengshijianjiaokuai。yinci，shuruxinhaoshangshengshijiankenengyuandiyu0.4ns。

 

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(zhong)顯(xian)示(shi)的(de)較(jiao)低(di)帶(dai)寬(kuan)情(qing)況(kuang)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)了(le)測(ce)量(liang)振(zhen)鈴(ling)頻(pin)率(lv)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。當(dang)考(kao)慮(lv)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)時(shi)，同(tong)樣(yang)很(hen)明(ming)顯(xian)的(de)是(shi)，較(jiao)低(di)帶(dai)寬(kuan)測(ce)量(liang)值(zhi)會(hui)低(di)估(gu)各(ge)個(ge)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)。對(dui)於(yu)與(yu)時(shi)序(xu)相(xiang)關(guan)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)的(de)測(ce)量(liang)，係(xi)統(tong)帶(dai)寬(kuan)也(ye)很(hen)重(zhong)要(yao)。如(ru)圖(tu)2（頂部）所示，對於500MHz和1GHz帶寬，死區時間是可見的
，雖然測量來並不是很精確。在較低帶寬下

，死區時間幾乎不存在。表1顯示了采用最高速的EPC8009，係統帶寬對關鍵測量結果的影響。

 

 

圖2：探頭/係統帶寬對波形的影響（頂部是基於EPC8009電路板、底部是基於EPC9080電路板）

 

表1：可測量的參數（基於EPC8009電路板）

 

用EPC9080演示板演示了另一個測試案例
，因板上eGaN FET的較低導通電阻和較高電容使得它具有低得多的振鈴頻率和開關速度[4]。相應的波形如圖2所示（下圖）。由於fr2低於係統的-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。但對於350MHz（橙色）和250MHz（棕色）的係統帶寬，fr2高於係統帶寬。因此，它捕捉到振鈴波形的形狀
，但明顯減弱了振鈴，因此低估了過衝。不同係統帶寬測得的上升時間約為3ns。根據（2）
，我們使用的最低的帶寬是250MHz，對應於1.6ns的上升時間

，並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。

 

表2：可測量的參數（EPC9080）

 

 

在本文的第二部分
，我們將展示如何使用良好的探頭技術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並使接地盡可能短

 

用於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

 

youyushiyongzhekejinxingyicijiedilianjie

，bingtancejiediyinxianfanweineideduogeceshidian，yincijiaochangdejiediyinxianhenfangbian。danshi
，renheyigendaoxiandoujuyoufenbudiangan，bingqiefenbudiangansuixinhaopinlvdezengjiaduijiaoliuxinhaodezuaiyuelaiyueda。jiediyinxiandedianganyutantoushurudianrongxianghuzuoyong
，zaitedingpinlvchanshengzhenling（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。隨著接地導線長度的增加

，電感增加
、被測信號將在較低頻率振鈴。

 

本節測量技術使用EPC9080半橋演示板。開關節點波形在圖3所示的兩點測量：靠近FET開關節點的“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所測量的開關節點（VSW）的波形。

 

圖4：探頭技術和選擇不同測量點的影響

 

圖4的(de)測(ce)得(de)波(bo)形(xing)清(qing)楚(chu)地(di)表(biao)明(ming)，探(tan)頭(tou)技(ji)術(shu)比(bi)測(ce)量(liang)點(dian)的(de)選(xuan)擇(ze)重(zhong)要(yao)。雖(sui)然(ran)有(you)邊(bian)緣(yuan)衰(shuai)減(jian)
，紅(hong)色(se)和(he)黑(hei)色(se)波(bo)形(xing)幾(ji)乎(hu)相(xiang)同(tong)。無(wu)論(lun)測(ce)量(liang)點(dian)的(de)選(xuan)擇(ze)如(ru)何(he)

，使(shi)用(yong)鱷(e)魚(yu)夾(jia)時(shi)的(de)波(bo)形(xing)形(xing)狀(zhuang)都(dou)非(fei)常(chang)不(bu)準(zhun)確(que)。我(wo)們(men)建(jian)議(yi)，彈(dan)簧(huang)夾(jia)技(ji)術(shu)應(ying)與(yu)最(zui)靠(kao)近(jin)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)測(ce)量(liang)點(dian)（“近點”）結合使用。

 

 

差分測量描述兩個測試點之間的任何測量
，但當描述涉及非接地參考測試點的測量時，該術語最常用。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]。

 

shouxiankaolvzaishiboqizhongshiyongshuxuehanshudefangfa，shiyonglianggejiedicankaotanzhen，celianglianggesuoxuandeceshidiandedianya。ranhou，yishuxueboxingxianshilianggedianyaboxingzhijiandechayi。chafenshuxueboxingshiweichafenceliang。suiranxingnengyouxian，danzhezhongjishukenengzuyiyingfucaiyongdigongmoxinhaodedipinceliang。weilezhengquecaozuo，lianggeshurubixushezhiweijuyouxiangtongdebiliyinzi，bingqietantoubixushixiangtongxinghaoqiefeichangpipei。tantoudeshuaijian/增益、傳播延遲和中高頻響應之間的任何不匹配，都會導致測量結果不那麼準確。共模抑製比（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。

 

用於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測量係統。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。雖然傳統的差分探頭在低至幾MHz頻率時，共模抑製較好

，但頻率高於幾MHz時，其CMRR性能將大幅降低。Tektronix IsoVu等隔離係統可實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）進行的示波器數學技術和隔離測量係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，“嘈雜”環境中的高開關噪聲放大了測量之間的差異。由於其高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（噪聲環境）

 

 

本文描述了測量各種基於EPC公司的氮化镓場效應晶體管（eGaN FET）的功率轉換器，包括帶寬的影響
、探tan頭tou技ji術shu和he適shi當dang使shi用yong高gao帶dai寬kuan隔ge離li探tan頭tou。麵mian向xiang特te定ding的de應ying用yong，電dian路lu設she計ji人ren員yuan如ru果guo能neng夠gou使shi用yong更geng好hao的de測ce量liang技ji術shu和he技ji巧qiao並bing了le解jie更geng多duo關guan於yu測ce量liang係xi統tong的de要yao求qiu，他ta們men可ke以yi發fa揮hui基ji於yu氮dan化hua镓jia技ji術shu的de設she計ji的de最zui大da效xiao能neng。