【導(dǎo)讀】穩(wěn)壓器和DC-DC電源內(nèi)的硅功率器件不久將會被GaN FET代替。與硅MOSFET相比，其開關(guān)速度要快得多，且RDS(on)更低。這將能增強電源的電源效率，為大家?guī)硪嫣帯Ｈ绻谠O(shè)計帶有GaN器件的電源電路，您需要掌握該器件的開關(guān)速度。為測量這一速度，示波器、探頭和互連的速度必須足夠快，以盡量減少其對測量產(chǎn)生的影響。
關(guān)于器件性能，我最常被問到的問題就是“它們究竟有多快？”通常我會回答是：它們非常快，但實際上我并不知道具體有多快。為探明真相，我使用33GHz實時示波器和高速傳輸線探頭對其進(jìn)行了測量。我將探討影響器件速度的設(shè)計限制因素及其未來的發(fā)展前景。經(jīng)過這些測量，我相信我們將很快能設(shè)計出開關(guān)速度達(dá)到250MHz的電源。
圖1顯示了用來進(jìn)行測量的兩個評估板。這兩個評估板都配備了一個柵極穩(wěn)壓器、一個驅(qū)動器、一個脈沖調(diào)節(jié)器和兩個eGaN開關(guān)。右側(cè)的電路板是一個完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其含有一個Gen4單片半橋（兩者在同一晶圓上開關(guān)），并含有一個L-C輸出濾波器。左邊的評估板在半橋配置上采用了單獨的Gen3 eGaN器件，沒有L-C輸出濾波器。在這兩種情況下，外部脈沖發(fā)生器通過焊接到測試板脈寬調(diào)制（PWM）輸入的BNC連接器來提供PWM信號。在輸入電壓為5V和12V的情況下，我在各評估板上測量了開關(guān)上升時間。
圖1：這里僅在左側(cè)的電路板上配備了半橋配置，右側(cè)的電路板配備了完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器。香蕉插座可將測試板連接至電子負(fù)載。通過BNC連接器可連接至外部脈沖發(fā)生器。
儀器和探頭要求
為確保儀器和探頭不會對測量造成重大影響，我們可以假設(shè)，能夠用和方根法把探頭、示波器和半橋的上升時間加起來。盡管這種方法并不總是正確，但我們在最初估計中可假設(shè)這一關(guān)系成立。
測得的半橋上升時間包括示波器的上升時間和探頭的上升時間，為：
半橋的實際上升時間可按照下式確定：
為了將測量誤差限制到某個百分比K，儀器的上升時間可以與實際的上升時間關(guān)聯(lián)起來：
對K求解，儀器上升時間與實際半橋上升時間的比值為：
因此，對于這兩個例子，如果我們希望測量結(jié)果低于5%或10%，則示波器和探頭的上升時間需分別低于FET上升時間的32%或46%。換句話說，儀器的上升時間應(yīng)分別比FET上升時間快3.1或2.2倍。
測量開關(guān)性能
這里使用的示波器為帶有Teledyne LeCroy PP066傳輸線探頭的Keysight 90000-X系列33 GHz示波器。示波器與探頭通過50 GHz Huber+Suhner Sucoflex-100電纜連接。該設(shè)置的上升時間使用20ps快沿脈沖來記錄，結(jié)果如圖2顯示。為了確保測量有效，用于進(jìn)行這些測量的示波器和探頭的上升時間要比上述的最低值快得多，因此可實現(xiàn)“完美測量”。
圖2：使用配有Huber Suhner Sucoflex 100 50GHz電纜和Teledyne Lecroy PP066傳輸線探頭的33GHz Keysight Infiniium 90000-X示波器，測量得到的邊沿脈沖上升時間約為20ps。測量結(jié)果顯示，測試設(shè)置的上升時間小于27.69ps，其中包括20ps脈沖上升時間。
得到的27.69ps上升時間包括20ps的脈沖上升時間，可使用和方根法減去它來確定示波器、探頭和電纜的上升時間。在減去脈沖沿的情況下，可以完全確定設(shè)備上升時間小于27.69ps，因此我們可以用其進(jìn)行保守估計。
根據(jù)此前的計算，并使用儀器上升時間27.69ps的保守估計，我們可以在K%范圍內(nèi)測量半橋的上升時間。
測量設(shè)置能夠以0.5%的精度測量276ps，以0.1%的精度測量619ps。完整的儀器設(shè)置如圖3所示。
圖3：用于DC/DC轉(zhuǎn)換器的完整儀器設(shè)置展示。測試板輸入電壓調(diào)節(jié)至12V，柵極驅(qū)動調(diào)節(jié)器供電電壓為7V。右下方顯示了負(fù)載，Keysight 90000-X示波器、Teledyne Lecroy PP066傳輸線探頭和Huber Suhner Sucoflex 100電纜等也都可以在圖上看見。
測得的性能
圖4顯示了輸出電壓約為1V和負(fù)載電流為20.0A時DC-DC轉(zhuǎn)換器的上升時間。測量是在測試板輸入電壓為5V和12V的情況下進(jìn)行的。
圖4：輸入電壓為5V和12V時，在測試板上測得的上升時間分別為682.33ps和561.13ps。DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作負(fù)載為20.0A。
測得的上升時間如圖5所示。單獨測量半橋時，也是在輸入電壓為5V和12V下進(jìn)行的。
圖5：當(dāng)輸入電壓為12V和5V時，所測得的上升時間分別為538.87ps和332.68ps。這只是半橋的，因此無負(fù)載。
按照此前的計算，在探頭和示波器的上升時間為27.69ps及測得的最快上升時間為332.68ps的條件下，所有四項測量結(jié)果都在0.5%精度范圍內(nèi)。結(jié)果顯示在表1中。
表1，測試結(jié)果概述
這些測得的上升時間約比同等硅MOSFET快3倍，RDS(on)約為1/3。通常情況下，最終結(jié)果的效率要高3%，并且熱負(fù)荷降低。
設(shè)計限制
通過這些測量結(jié)果，您可以看出這些器件的開關(guān)速度極快，但我們?nèi)耘f不知道器件的最快速度是多少，也許永遠(yuǎn)也不會知道。鑒于我們剛測量過這些速度，怎么會這樣？有一些關(guān)鍵的限制因素是我們無法評估的，至少目前還無法評估。其中一個就是電源回路電感和較小的GaN晶體管電容之間的諧振產(chǎn)生的振鈴，這在所有上升時間測量中都顯而易見。電容值是固定的，而電感至少在一定程度上（如果不是非常明顯）是由于輸入電容器和互連PCB背板的等效串聯(lián)電感（ESL）導(dǎo)致的。
驅(qū)動器通過PCB走線連接起來，驅(qū)動器本身的邊沿速度約為1ns，這比GaN PET開關(guān)速度要慢得多。隨著GaN技術(shù)朝材料極限發(fā)展（仍有幾個數(shù)量級），且驅(qū)動器性能增強、寄生效應(yīng)減小和集成度提升成為現(xiàn)實，速度/性能將持續(xù)改進(jìn)。同時，GaN FET輸出電容將繼續(xù)減少，從而開關(guān)速度將進(jìn)一步得到提升。
這一切意味著什么
若使開關(guān)速度達(dá)到硬開關(guān)應(yīng)用開關(guān)周期的1%~2%，您可以看到，開關(guān)速度可接近50MHz。現(xiàn)在，限制條件是柵極驅(qū)動器的寄生元件，其不能在這樣的速度下運行。我認(rèn)為，使用諧振開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度可達(dá)到250MHz以上。盡管材料的本質(zhì)限制無法和GaN器件的性能匹敵，但硅器件仍將持續(xù)得以改善。
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