【導讀】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?。如果您正在設(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?？?，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)速度達到250MHz的電源。
圖1顯示了用來進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下進行的。
圖5：當輸入電壓為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。同時，GaN FET輸出電容將繼續(xù)減少，從而開關(guān)速度將進一步得到提升。
這一切意味著什么
若使開關(guān)速度達到硬開關(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。我認為，使用諧振開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)時，DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度可達到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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