SiC和GaN系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不再迷茫

Andrea Vinci Tom Neville

SiC和GaN MOSFET技術(shù)的出現(xiàn)，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(gè)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(xiàn)實(shí)世界中，沒有理想的開關(guān)特性。但基于新材料、擁有超低開關(guān)損耗的多種寬禁帶器件正在出現(xiàn)，既能實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗，又能處理超高速率dv/dt轉(zhuǎn)換，并支持超快速開關(guān)頻率，使得這些新技術(shù)既成就了DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)工程師的美夢，但同時(shí)也變成了他們的惡夢。

比如一名設(shè)計(jì)工程師正在開發(fā)功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如逆變器或馬達(dá)驅(qū)動控制器，或者正在設(shè)計(jì)功率因數(shù)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(qū)動器電路必須能夠正確驅(qū)動和控制功率等級，這會產(chǎn)生多個(gè)必須解決的問題，從隔離到電路保護(hù)技術(shù)，來避免所謂“饋通”問題的引起的潛在災(zāi)難。

在設(shè)計(jì)高頻轉(zhuǎn)換器時(shí)，大部分設(shè)計(jì)時(shí)間用在仿真和驗(yàn)證上，以確認(rèn)已經(jīng)考慮并解決所有可能的問題。

一個(gè)天才的PCB設(shè)計(jì)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(gè)角落，這就夠設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)忙的了，當(dāng)然在這個(gè)過程中他們可以對新器件封裝、新系統(tǒng)布線和新拓?fù)浞矫娣e累經(jīng)驗(yàn)。毋庸置疑，如果切換到新的SiC和GaN器件是非常復(fù)雜。

這種情況在功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中相當(dāng)常見。將PFC/電源市場與光伏逆變器市場關(guān)聯(lián)起來，把xEV汽車市場與消費(fèi)無線充電應(yīng)用關(guān)聯(lián)起來，這是將SiC和GaN技術(shù)發(fā)揮最大化的共同期待愿望。

當(dāng)然，這些不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的要求差異很大。設(shè)計(jì)人員對半導(dǎo)體器件的電場強(qiáng)度、導(dǎo)通電阻或阻斷電壓要求，可能會迫使其轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)人員，還是開發(fā)6.78MHz基于GaN的無線功率設(shè)計(jì)的諧振拓?fù)湓O(shè)計(jì)人員，他們都面臨著許多共同的問題。

在這兩種情況下，設(shè)計(jì)人員都需要以高精度清楚地表征靜態(tài)損耗和開關(guān)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(zhì)。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(chǎn)品目錄，而他們以前從來沒用過這類產(chǎn)品。當(dāng)面臨EMC驗(yàn)證時(shí)，他們會非常擔(dān)心焊接式探頭接人線可能會變成迷你天線。

他們還開始認(rèn)識到，過去使用的儀器及附件可能不足以滿足當(dāng)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 VgsfpVds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)信號技巧來實(shí)現(xiàn)同步嗎？他們應(yīng)該花多少時(shí)間對波形進(jìn)行后期處理并將它們?nèi)糠旁谝黄鹨孕纬蓪﹄娐诽匦缘呐袛?？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)的還是來自探頭引線？

SiC和GaN也不例外，設(shè)計(jì)人員幾乎全都遇到過多個(gè)痛點(diǎn)和測量挑戰(zhàn)，包括：

高dv/dt、高di/dt和高開關(guān)頻率會產(chǎn)生EMI相關(guān)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(shè)計(jì)中的串?dāng)_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(gè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)如相臂或半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)人員竭力測量拓?fù)渲械腣gs，如圖1所示。

在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個(gè)SiC MOSFET開啟時(shí)，超高dv/dt包括互補(bǔ)MOSFET的門極到源極電壓（Vgs），如圖2所示。

當(dāng)然，您不希望降低dv/dt，因?yàn)楦叩霓D(zhuǎn)換速率才能讓這些器件實(shí)現(xiàn)最低的開關(guān)損耗。

因此，必須用不同的方式解決這個(gè)問題，通過在柵極驅(qū)動器側(cè)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(shè)計(jì)人員必須確?？偩€和連接通路實(shí)現(xiàn)最小的電感效應(yīng)，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(shí)際電路中，必須同時(shí)測量高壓側(cè)和低壓側(cè)Vgs，來驗(yàn)證所有這些單元，以表征脈寬調(diào)制（PWM）延遲時(shí)間，最大限度地降低死區(qū)時(shí)間，提高性能。然后還必需測量電流及兩個(gè)Vds，以全面表征開關(guān)損耗。

四通道示波器不足以勝任這一工作，典型的8位ADC沒有提供足夠的垂直分辨率。此外，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)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(rèn)為這些探頭足以在高壓側(cè)進(jìn)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(dǎo)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(yùn)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(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(guān)重要，包括適當(dāng)?shù)膸?、本底噪聲、垂直分辨率、通道?shù)量和應(yīng)用軟件。探頭選型也至關(guān)重要，因?yàn)樘筋^性能可能會成為測量系統(tǒng)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導(dǎo)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(shí)際信號。在測試SiC和GaN功率器件時(shí)，因?yàn)镾iC和GaN功率器件的開關(guān)速度快，標(biāo)稱共模電壓高，這些限制影響會進(jìn)一步放大。

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(yīng)該是不依賴接地的探頭技術(shù)，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(shí)現(xiàn)以上的測試需求，其完全通過光纖進(jìn)行操作。

IsoVu測量系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)寬禁帶MOSFET的新應(yīng)用中所需的差分測量。IsoVu與DUT完全實(shí)現(xiàn)電信號隔離，采用光電傳感器，把輸入信號轉(zhuǎn)換成光調(diào)制，在電氣上把DUT與示波器隔開。

傳感器頭連接到測試點(diǎn)上，全面實(shí)現(xiàn)電隔離，通過其中一條光纖供電。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(zhuǎn)換測試提供了明顯的優(yōu)勢，還特別適合嚴(yán)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側(cè)量系統(tǒng)并不是問題。在DUT與示波器必須（或應(yīng)該）相距一定距離時(shí)，遠(yuǎn)程測量功能會非常有用。

IsoVu系統(tǒng)適用于大多數(shù)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(jié)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(shè)計(jì)人員終于可以利用寬禁帶材料為DC到DC功率轉(zhuǎn)換器提供的所有優(yōu)勢，同時(shí)對三相功率電子、電源設(shè)計(jì)、汽車電子等也是明顯的進(jìn)步。