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高速氮化镓晶体管测量技术的评估

文章作者:Suvankar Biswas, David Reusch & Michael de Rooij

本文着重于测量技术，以准确评估高性能氮化镓晶体管和评估高带宽差分探头使用非地面参考波形。

氮化镓晶体管提供的开关速度的增加需要良好的测量技术，以及捕捉高速波形的重要细节的良好技术。本文主要讨论如何利用测量设备来满足用户的需求和测量技术来准确评估高性能氮化镓晶体管。本文还评估了用于非地面参考波形的高带宽差分探头。

为了演示各种类型GaN功率器件的测量技术和要求，我们将研究以下EPC eGaN FET: a (i)高速，10 MHz开关频率，65 V eGaN FETEPC8009基于(图1中的Q1和Q2)的半桥板，并且a (ii)速度较低，开关频率为500khz，EPC9080使用100 V eGaN场效应晶体管的半桥式演示板EPC2045作为顶部开关(Q1)和100vEPC2022作为底部开关(Q2)。如图所示，两个板都配置为降压转换器图1。

图1本文中使用的eGaN场效应管测试板的简化示意图

带宽对测量的影响

结合范围和探测系统的最高可用带宽由[1]给出:

在BW_{3 db}, BW_{3 db范围}, BW_{3 db,探测器}分别为系统、示波器和探头对应的带宽(以Hz表示)。本文使用的是2ghz示波器(泰克MSO 5204)。无源探针(Tektronix TPP1000)最大带宽为1ghz。scope和probe带宽之间的值越小，对系统带宽的影响越大，在本例中为1ghz。

评估布局时印刷电路万博投注网址板设计，典型的测量包括上升和下降时间、峰值超调、欠调和预期的交换机节点上升边缘振铃频率，可以通过振铃频率方程进行估计:

在方程2中，L_循环是高频回路电感，包括高频去耦电容，eGaN场效应管(Q1和Q2)，以及元件的PCB连接。C_o2= C_oss+ C_票面价值,包括C_oss，它是Q2和C阻塞电压下底侧FET Q2的输出电容_票面价值为开关节点的寄生电容和探针电容。l_循环对于本文[2]中考虑的演示板，估计pH值约为200-300。C_ossEPC8009的30 pF是否在测试电压范围[3]和C_票面价值大约是10 pF为这个演示板。这转换成振铃频率f_r1~ 1.6 GHz。对于较大的电容EPC2045和EPC2022根据设计，估计振铃频率为f_r2~ 0.44 GHz。

从[1]中可以清楚地看出，我们所能获得的最高系统带宽低于系统的振铃频率EPC8009基础设计。现在我们将观察系统带宽的选择如何影响高速GaN晶体管(如EPC8009)和相对较慢的开关GaN晶体管(如EPC2045和EPC2022)的开关节点波形的捕获。

测量系统就像一个低通滤波器，衰减高频内容。这在图2(上)。它在图2采集到的波形的上升时间变化很大。这可以归结为系统带宽与上升时间的关系，公式如下[1]:

最快的上升时间图2(左)约为0.4 ns，相当于~1 GHz的系统带宽。使用相同的探头和带有500 MHz带宽数字滤波器的示波器，测量到的上升时间为0.8 ns。显然，被测信号的上升时间受到系统带宽的限制。由于测量到的上升时间等于计算出的系统上升时间，所以输入信号比测量系统上升时间快。因此，输入信号的上升时间很可能远小于0.4 ns。

测量到的振铃频率(f_r1)是1.176 GHz的EPC8009为基础设计，制作了最高带宽为1 GHz的探头。较低带宽的情况如图2(上)进一步降低振铃频率测量的准确性。当观察峰值电压超调时，也很明显，较低的带宽测量低估了跨开关设备的峰值电压。对于计时相关的死时间测量，系统带宽也很重要。所示图2(上图)，在500mhz和1ghz的带宽下，死区时间是可见的，虽然对测量来说不是很精确。在较低的带宽，死时段几乎不存在。表1展示了系统带宽对高速epc8009板进行关键测量能力的影响。

图2探头/系统带宽对捕获波形的影响(基于epc8009的板，顶部，EPC9080，底部)

表1可测参数(基于epc8009的板)

另一个测试用例是EPC9080演示板，它具有较低的振铃频率和开关速度，从较低的导通电阻和较高的电容eGaN fet[4]。对应波形见图2(底部)。振铃频率(f_r2的438 MHz，其振幅测量的1 GHz(蓝色)探头是有效的，因为f_r2低于系统的-3dB频率。1 GHz(蓝色)和500 MHz(绿色)波形准确捕捉所有细节。然而，对于350mhz(橙色)和250mhz(棕色)的系统带宽，f_r2超出系统带宽。因此，它捕获了振铃波形形状，但振铃的衰减是明显的，因此低估了超调。不同系统带宽测量的上升时间约为3 ns。我们使用的最低带宽为250mhz，根据(2)对应的上升时间为1.6 ns，在所有情况下都可以准确捕捉到上升时间。本文的讨论总结在表2。

表2可测量的参数(EPC9080)