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高频GaN 器件的门极驱动波形的测量方案
发布日期:2019-10-25   点击次数:438


具有良好频率特性及CMRR的高压差分探头及电流探头在GaN的应用评价中具有非常重要的位置.

 

近几年来基于氮化镓(GaN)功率开关器件得到了飞速的发展。与Si器件相比,GaN的功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力。

这些优势正是当下高功耗高密度系统、服务器和计算机所需要的。GaN功率器件,正在大量被应用于工业、商业甚至要求极为严格的

汽车领域的电力和电机控制中。他们的接受度和可信度正在逐渐提高。

 

GaN器件是什么?

GaN是一种高电子迁移率晶体管(HEMT),如图1所示。高电子迁移率晶体管意味着GaN器件的临界电场强度大于硅。

对于相同的片上电阻和击穿电压,GaN的尺寸更小。GaN还具有极快的开关速度和优异的反向恢复性能,在低损耗、高效率的应用

场合这一点十分重要的。600/650V等级的GaN晶体管现在已经广泛使用,具有广泛的应用前景。 

图1 GaN器件建立在硅衬底上,有一个二维横向的电子通道(2DEG)和AlGaN/GaN异位外延结构,提供了极高的电荷密度和迁移率。

当门级电压为零(左图)时,晶体管截止,当门级电压超过阈值电压时(中间和右图),晶体管导通。(来源: GaN Systems)

GaN与硅基MOSFET器件有很多共同之处,但差异也很大,除了明显的半导体材料和工艺外,还有很多显著的差异。

首先,GaN的导通电阻非常低,这使得器件损耗降低,提高了效率。另外,GaN FET的结构使其输入电容非常低,提高了开关速度。

GaN器件可以在纳秒内电压上升到几百伏,支持几MHz频率的大电流转换。(最新一代的器件可以应用在几百MHz的场合)。

这意味着GaN具有更高的效率,并可以使用更少的电磁学和被动元件。

驱动是GaN成功的关键

无论是GaN还是MOSFET,一个可靠并且合适的驱动是器件可以稳定运行的关键。简单来说,驱动电路就是低压、低电流的

MCU数字接口和高压、高电流、高速度的功耗器件之间的电路。

当然,驱动所扮演的角色远不止于此。驱动必须能够以足够高的速度对栅极上的电容进行充电,使晶体管开启,同时不会引起振铃和过冲。

在关断模式下,它必须能够快速的对栅极电容进行放电,不引起振铃或过冲。

它必须始终如一的这么做,并且保持恰当的时钟倾斜以避免shoot-through短路

决定GaN驱动器件的主要参数有三个:最大栅极电压,栅极阈值电压和本体二极管压降。

增强型GaN器件的栅源电压是6V大约是MOSFET的一半,这简化了产生所需开关电压和电流的挑战。

栅极电压也比大多数功率MOSFET低,同时具有较低的负温度系数,这也简化了驱动补偿问题。

本体二极管的正向电压降,是器件结构的固有属性,GaN器件比同等的硅MOSFET的电压要高。

通过一些数字对比可以更明显的看出GaN与MOSFET的区别。GaN比硅MOSFET开关速度更快,dV/dt的转换率大于100V/nsec。

对于具有相同RDS(ON)等级的MOSFET和GaN,GaN的开启时间比MOSFET快4倍,关断时间快2倍。

虽然越快越好,但这也给驱动电路带来了新的挑战。米勒效应也同样影响了晶体管的开启/关断速度和波形(你还记得半导体器件物理里面的米勒效应吗),

对于具有相同RDS(ON)的GaN和MOSFET,GaN的米勒电荷更少,因此GaN可以更快地开启/关闭,这是一个优势。

然而,高的速度可能会引起在转换过程中,使桥上的器件组产生shoot-through,从而对效率产生不利影响。

因此,必须控制栅极驱动的上拉电阻,以最大限度地减少传输时间,同时不改变其他特性,这也提供了一种避免过冲和振铃的方法。

这可以避免开启/关闭故障,同时减小EMI的产生。

虽然分析变得十分复杂(图4和图5),但在阈值电压较低的GaN器件中,最简单的解决方案就是将驱动栅极的上升和下拉电阻分开,并在需要时插入一个离散的电阻(图6)。 

图4 一个GaN需要开启的场景模型。(来源:GaN Systems)

 

 

图5 一个GaN需要关断的场景模型。(来源:GaN Systems)

图6:通过使用独立的栅极驱动电阻来实现导通和关断,每个阶段都可以得到优化的性能,同时改善振铃、过冲等不良特性。

(来源:GaN Systems)

简言之,一个不起眼的无源电阻(或电阻对)成为了成功驱动的关键因素,平衡了相关的参数。

合适大小的栅极开启/关闭电阻可以使性能优越、驱动稳定,因此推荐使用独立的栅极驱动电阻。

为了控制Miller效应的影响,这个电阻一般控制在5到10Ω之间。如果开启栅极电阻太大(如10到20Ω),开启的dV/dt速度就会降低,

导致开关速度慢。如果转换速度太慢,会出现开关损耗,但这一次是由于Miller效应和潜在的栅极振荡导致的。

对于关断来说,栅极需要尽快被拉低,因此栅极电阻通常是1和2Ω。

如何用正确的探头或仪器来观测的门极波形

GaN器件的门极开启电压通常在6V左右,开启电压Vth通常在1.8V 左右,在高频开关器件的应用中,上管的Vgs因为S端是下管的D端(同时是负载端),

导至上管的Vgs准确测量非常难。通常工程师会用差分探头来测量上管的Vgs,但因为差分探头本身的频带比较低,延时很大并且输入电容很大,

在高频测试时会引申很多问题,对于想观察到实际门极波形的工程师挑战极大。

GaN开关器件工作在非常高的开关频率,差分探头的输入电容等指标对被测Vgs参数影响极大,会人为导致门极波形出现高的米勒平台电压,

使工程师无法分辨米勒平台是驱动的问题还是测量的问题;PMK BumbleBee 高压差分探头输入阻抗为10MΩ||2pF,对测试影响极小;

并且具有非常高的高频CMRR,在1Mhz信号测量时可以保证达到>62dB的CMRR能力,远超行业品,可以对上管Vgs,Vce的浮动测量做到高保真测量。

同时BumbleBee 具有高达400MHz的通频带宽(延时为875pS),2000Vrms/6000Vpk的耐压测量能力,对于双脉冲测试等快速信号变化提供了非常可靠的评价方法。

 

附图是GaN型对管门极驱动的测试对比,工作频率200KHZ,测试电压为300V:

1、 TektronixTHDP0200 200MHz的高压差分探头测量下管Vgs;

2、PMK BumbleBee 400MHZ 2000Vrms 高压差分探头测量上管Vgs

 

从测试结果看:

1、      TektronixTHDP0200 200MHz的高压差分探头测量下管Vgs对应的波形CH2 (蓝色)出现明显的米勒平台并且在波形转折点出现非常高的噪声波形,

这种因为仪器或探头导致的测量误差可能导致整个GaN电源设计失败。

2、      PMK BumbleBee400MHZ 2000Vrms高压差分探头测量上管Vgs对应的波形CH3(紫色)驱动波形非常完整,无明显失真,波形转折处噪声非常低,

可能良好的展示GaN器件驱动波形。

在电流Ice测试时,高的开关频率与电路寄生电容、寄生电感的影响导致GaN器件开启电流与关断瞬间电流波形观测同样需要响应良好的高频带电流探头。

  成功不只来自于一个电路

每一个拥有高速电路设计经验的工程师都知道,电路和系统的优化仅仅是系统成功的一部分。在GaN器件和电路中,控制和尽量减少从电源到栅极驱动回路

的噪声耦合是至关重要的。高dV/dt和di/dt,加上低输入电容和门限值,很容易导致严重的噪声。米勒效应可能导致栅极振铃或持续振荡。

其结果将导致晶体管错误的开启或关闭,导致整个系统故障。

在许多可能的原因中,栅极振荡经常是由反馈路径的杂散电感导致的,以及从电源到栅极回路或者通过栅极和漏极之间的米勒效应电容耦合导致的。

通常使用多层的方法来解决这些问题。

该技术包括通过布局来减少杂散电感;通过将门级驱动尽可能靠近GaN器件栅极来减小外部栅极到漏极的耦合;采用低电感,宽PCB板走线;

使用开尔文源连接来最小化公共源电感;甚至扩展到采用电隔离电源轨。其他方法包括调整栅极驱动电阻值以微调导通转换速率;使用负偏压(-3V)关断;

与栅极串联加入铁氧体磁珠,以减少高频LC振铃和过冲;并且可可以在栅源路径上添加RC“缓冲器”

在评价驱动时匹配正确的探头可以大幅度的提高电源设计的可靠性,及早发现驱动设计问题,有效的提升电源开发的效率。

结论

基于GaN的开关器件已经真正的变得成熟。目前已经拥有完善的生态系统,包括建模和仿真工具,必要的驱动芯片,应用支持,

现场应用经验,并且拥有多个知名供应商和初创企业。这些GaN器件的性能远超目前和在可预见的未来MOSFET能够具有的。

然而,GaN器件的高速度也意味着在使用时需要更合理周密的设计,如需要更多的考虑他们的栅极驱动,电压和电流转换速率,

电流等级,噪声源和耦合布局考虑因素对导通和关断所带来的影响。

 

具有良好频率特性及CMRR 的高压差分探头及电流探头在GaN的应用评价中具有非常重要的位置!

  

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