SiC和GaN系统设计工程师不再迷茫

作者：泰克科技公司，Andrea Vinci / Tom Neville

SiC和GaN MOSFET技术的出现，正推动着功率电子行业发生颠覆式变革。这些新材料把整个电源转换系统的效率提高了多个百分点，而这在几年前是不可想象的。

在现实世界中，没有理想的开关特性。但基于新材料、拥有超低开关损耗的多种宽禁带器件正在出现，既能实现低开关损耗，又能处理超高速率dv/dt转换，并支持超快速开关频率，使得这些新技术既成就了DC/DC转换器设计工程师的美梦，但同时也变成了他们的恶梦。

比如一名设计工程师正在开发功率转换应用，如逆变器或马达驱动控制器，或者正在设计功率因数校正电路 （PFC），需要把电源效率提高到99%甚至接近极限。他们会面临什么样的挑战呢？

使用低损耗晶体管只是他们必须翻越的整座大山的第一步。全面隔离的栅极驱动器电路必须能够正确驱动和控制功率等级，这会产生多个必须解决的问题，从隔离到电路保护技术，来避免所谓“馈通”问题的引起的潜在灾难。

在设计高频转换器时，大部分设计时间用在仿真和验证上，以确认已经考虑并解决所有可能的问题。

一个天才的PCB设计师可以在布线上做到完美，但寄生信号仍然存在，且潜伏在每个角落，这就够设计团队忙的了，当然在这个过程中他们可以对新器件封装、新系统布线和新拓扑方面积累经验。毋庸置疑，如果切换到新的SiC和GaN器件是非常复杂。

这种情况在功率系统设计项目中相当常见。将PFC/电源市场与光伏逆变器市场关联起来，把xEV汽车市场与消费无线充电应用关联起来，这是将SiC和GaN技术发挥最大化的共同期待愿望。

当然，这些不同应用系统之间的要求差异很大。设计人员对半导体器件的电场强度、导通电阻或阻断电压要求，可能会迫使其转入非常具体、非常窄的泳道。而不管是在250kHz下使用SiC 的20kW电动汽车充电桩设计人员，还是开发6.78MHz基于GaN的无线功率设计的谐振拓扑设计人员，他们都面临着许多共同的问题。

在这两种情况下，设计人员都需要以高精度清楚地表征静态损耗和开关损耗。他们都需要清楚地处理和管理散热问题，量化冷却介质。他们的桌子上可能都摆着一大本新一代变压器、电感器和电容器产品目录，而他们以前从来没用过这类产品。当面临EMC验证时，他们会非常担心焊接式探头接入线可能会变成迷你天线。

他们还开始认识到，他们过去使用的仪器及附件可能不足以满足当前测试需求。

他们必需测试几千伏的击穿电压，同时检测低至飞安级的泄漏电流。电源、万用表、示波器，是否还能胜任完成任务呢？

由于必须同时测量所有这些MOSFET Vgs和Vds及电流，在精确表征时延的前提下，他们还能使用四通道示波器和一些外部触发信号技巧来实现同步吗？他们应该花多少时间对波形进行后期处理并将它们全部放在一起以形成对电路特性的判断？他们是否有足够的灵敏度，在旧示波器上进行栅极阈值电压测量，以及在屏幕上追踪振荡，它们是真实的还是来自探头引线？

SiC和GaN也不例外，设计人员几乎全都遇到过多个痛点和测量挑战，包括：

l高dv/dt、高di/dt和高开关频率会产生EMI相关的问题

l在高共模电流的情况下测量低电压

l高压过冲

lPCB布线设计中的串扰和其他问题

l确定来自测量系统的错误百分比

Vgs测量问题

在另一个领域设计如相臂或半桥拓扑结构中，设计人员竭力测量拓扑中的Vgs，如图1所示。

图1：典型的相臂或半桥拓扑结构。

在这种结构中，当一个SiC MOSFET开启时，超高dv/dt包括互补MOSFET的门极到源极电压（Vgs），如图2所示。

图2：Vgs测量的相关挑战示意图。

当然，您不希望降低dv/dt，因为高的转换速率才能让这些器件实现最低的开关损耗。

因此，必须用不同的方式解决这个问题，通过在栅极驱动器侧工作以主动控制切换过程中两级的栅极电阻。

此外，资深的PCB设计人员必须确保总线和连接通路实现最小的电感效应，以免对电感环路引起的电压和过冲振铃带来太多影响。在实际电路中，必须同时测量高压侧和低压侧Vgs，来验证所有这些单元，以表征脉宽调制（PWM）延迟时间，最大限度地降低死区时间，提高性能。然后您必需测量电流及两个Vds，以全面表征开关损耗。

四通道示波器不足以胜任这一工作，典型的8位ADC没有提供足够的垂直分辨率。此外，现在已经证实，大多数实验室中常用的探头也是不够的，其中也包括性能较好的差分探头，而传统上一直认为这些探头足以在高压侧进行浮动测量。

传统差分探头是基于与地连接的差分放大器。这种接地方式限制了共模电压范围，导致共模电压频率额定值降低，产生接地环路，并限制了共模抑制。

幸运的是，就像宽禁带器件产生颠覆式变革一样，电源效率测量解决方案也在发生颠覆式变革。

新型测量解决方案

这个领域中的典型测量系统基于示波器和差分探头，差分探头在被测器件（DUT）与示波器之间提供连接。示波器选型至关重要，包括适当的带宽、本底噪声、垂直分辨率、通道数量和应用软件。探头选型也至关重要，因为探头性能可能会成为测量系统的限制因素。

在需要进行差分测量时，由于共模抑制比的限制、幅度特性下降、频响及探头输入引线导致的寄生信号等限制，上述传统差分探头通常不能很好地表征实际信号。在测试SiC和GaN功率器件时，因为SiC和GaN功率器件的开关速度快，标称共模电压高，这些限制影响会进一步放大。

图3：IsoVu测量系统。

由于捕获这些信号的问题源自接地需求，因此可行的解决方案应该是不依赖接地的探头技术，由于不依赖接地，所以其或多或少不受高共模电压的影响。泰克科技公司开发的IsoVu测量系统可以实现以上的测试需求，其完全通过光纤进行操作。

IsoVu测量系统是Vgs测量的一个飞跃，也是唯一同时拥有必须高带宽、高共模电压和高共模抑制比的解决方案，能够实现宽禁带MOSFET的新应用中所需的差分测量。IsoVu与DUT完全实现电信号隔离，采用光电传感器，把输入信号转换成光调制，在电气上把DUT与示波器隔开。

传感器头连接到测试点上，全面实现电隔离，通过其中一条光纤供电。探头尖直到连接点全程屏蔽，最大限度地降低寄生信号。探头不仅为功率转换测试提供了明显的优势，还特别适合严格的EMI和ESD测试要求。

与电气探头要尽可能短不同，电缆长度对基于光纤的测量系统并不是问题。在DUT与示波器必须（或应该）相距一定距离时，远程测量功能会非常有用。

图4：泰克示波器。

IsoVu系统适用于大多数泰克示波器，但最佳搭档是与新型5系列MSO示波器的12位垂直分辨率结合使用，5系列示波器在一台仪器中提供了最多8条模拟通道，同时还提供了高级功率分析软件。凭借这种组合，设计人员终于可以利用宽禁带材料为DC到DC功率转换器提供的所有优势，同时对三相功率电子、电源设计、汽车电子等也是明显的进步。

关于作者

Andrea Vinci是泰克-吉时利欧洲业务拓展经理。他拥有意大利帕多瓦大学电子工程硕士学位。

Tom Neville是泰克科技公司时域产品事业部产品规划师和产品市场经理。他拥有波特兰州立大学的电子工程硕士学位和美国西点军校学士学位。Andrea和Tom一直专注于功率应用测量解决方案。www.tektronix.com.cn

关于泰克科技

泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市，致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案，解决各种问题，释放洞察力，推动创新能力。70多年来，泰克一直走在数字时代前沿。