SiC和GaN系統(tǒng)設計工程師不再迷茫

   SiC和GaN MOSFET技術的出現，正推動著功率電子行業(yè)發(fā)生顛覆式變革。這些新材料把整個電源轉換系統(tǒng)的效率提高了多個百分點，而這在幾年前是不可想象的。

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

　　比如一名設計工程師正在開發(fā)功率轉換應用，如逆變器或馬達驅動控制器，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。他們會面臨什么樣的挑戰(zhàn)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器電路必須能夠正確驅動和控制功率等級，這會產生多個必須解決的問題，從隔離到電路保護技術，來避免所謂“饋通”問題的引起的潛在災難。

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

　　一個天才的PCB設計師可以在布線上做到完美，但寄生信號仍然存在，且潛伏在每個角落，這就夠設計團隊忙的了，當然在這個過程中他們可以對新器件封裝、新系統(tǒng)布線和新拓撲方面積累經驗。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(tǒng)設計項目中相當常見。將PFC/電源市場與光伏逆變器市場關聯(lián)起來，把xEV汽車市場與消費無線充電應用關聯(lián)起來，這是將SiC和GaN技術發(fā)揮最大化的共同期待愿望。

　　當然，這些不同應用系統(tǒng)之間的要求差異很大。設計人員對半導體器件的電場強度、導通電阻或阻斷電壓要求，可能會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電動汽車充電樁設計人員，還是開發(fā)6.78MHz基于GaN的無線功率設計的諧振拓撲設計人員，他們都面臨著許多共同的問題。

　　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)損耗和開關損耗。他們都需要清楚地處理和管理散熱問題，量化冷卻介質。他們的桌子上可能都擺著一大本新一代變壓器、電感器和電容器產品目錄，而他們以前從來沒用過這類產品。當面臨EMC驗證時，他們會非常擔心焊接式探頭接入線可能會變成迷你天線。

　　他們還開始認識到，他們過去使用的儀器及附件可能不足以滿足當前測試需求。

　　他們必需測試幾千伏的擊穿電壓，同時檢測低至飛安級的泄漏電流。電源、萬用表、示波器，是否還能勝任完成任務呢?

　　由于必須同時測量所有這些MOSFET Vgs和Vds及電流，在精確表征時延的前提下，他們還能使用四通道示波器和一些外部觸發(fā)信號技巧來實現同步嗎?他們應該花多少時間對波形進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，在舊示波器上進行柵極閾值電壓測量，以及在屏幕上追蹤振蕩，它們是真實的還是來自探頭引線?

　　SiC和GaN也不例外，設計人員幾乎全都遇到過多個痛點和測量挑戰(zhàn)，包括：

• 　　 高dv/dt、高di/dt和高開關頻率會產生EMI相關的問題

• 　　 在高共模電流的情況下測量低電壓

• 　　 高壓過沖

• 　　 PCB布線設計中的串擾和其他問題

• 　　 確定來自測量系統(tǒng)的錯誤百分比

　　Vgs測量問題

　　在另一個領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SiC MOSFET開啟時，超高dv/dt包括互補MOSFET的門極到源極電壓(Vgs)，如圖2所示。

　　圖2：Vgs測量的相關挑戰(zhàn)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現最低的開關損耗。

　　因此，必須用不同的方式解決這個問題，通過在柵極驅動器側工作以主動控制切換過程中兩級的柵極電阻。

　　此外，資深的PCB設計人員必須確保總線和連接通路實現最小的電感效應，以免對電感環(huán)路引起的電壓和過沖振鈴帶來太多影響。在實際電路中，必須同時測量高壓側和低壓側Vgs，來驗證所有這些單元，以表征脈寬調制(PWM)延遲時間，最大限度地降低死區(qū)時間，提高性能。然后您必需測量電流及兩個Vds，以全面表征開關損耗。

　　四通道示波器不足以勝任這一工作，典型的8位ADC沒有提供足夠的垂直分辨率。此外，現在已經證實，大多數實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(tǒng)上一直認為這些探頭足以在高壓側進行浮動測量。

　　傳統(tǒng)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

　　這個領域中的典型測量系統(tǒng)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。探頭選型也至關重要，因為探頭性能可能會成為測量系統(tǒng)的限制因素。

　　在需要進行差分測量時，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導致的寄生信號等限制，上述傳統(tǒng)差分探頭通常不能很好地表征實際信號。在測試SiC和GaN功率器件時，因為SiC和GaN功率器件的開關速度快，標稱共模電壓高，這些限制影響會進一步放大。

　　圖3：IsoVu測量系統(tǒng)。

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

　　IsoVu測量系統(tǒng)是Vgs測量的一個飛躍，也是唯一同時擁有必須高帶寬、高共模電壓和高共模抑制比的解決方案，能夠實現寬禁帶MOSFET的新應用中所需的差分測量。IsoVu與DUT完全實現電信號隔離，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。

　　傳感器頭連接到測試點上，全面實現電隔離，通過其中一條光纖供電。探頭尖直到連接點全程屏蔽，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，電纜長度對基于光纖的測量系統(tǒng)并不是問題。在DUT與示波器必須(或應該)相距一定距離時，遠程測量功能會非常有用。

　　圖4：泰克示波器。

　　IsoVu系統(tǒng)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，同時對三相功率電子、電源設計、汽車電子等也是明顯的進步。

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