【導(dǎo)讀】現(xiàn)代寬禁帶功率器件(SiC, GaN)上的開關(guān)晶體管速度越來越快,使得測量和表征成為相當(dāng)大的挑戰(zhàn),在某些情況下幾乎不可能實現(xiàn)。隔離探測技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種局面,通過這一技術(shù),設(shè)計人員終于能夠放心地測量以前回避的半橋和門驅(qū)動器波形。
現(xiàn)代寬禁帶功率器件(SiC, GaN)上的開關(guān)晶體管速度越來越快,使得測量和表征成為相當(dāng)大的挑戰(zhàn),在某些情況下幾乎不可能實現(xiàn)。隔離探測技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種局面,通過這一技術(shù),設(shè)計人員終于能夠放心地測量以前回避的半橋和門驅(qū)動器波形。通過詳細了解相關(guān)挑戰(zhàn),并使用適當(dāng)?shù)奶綔y技術(shù),電源工程師可以更加迅速、高效地表征和優(yōu)化其設(shè)計。
半橋電路(圖1)廣泛用于功率電子領(lǐng)域的多種應(yīng)用,是現(xiàn)代設(shè)計中有效轉(zhuǎn)換電能使用的基本電路。但是,只有在半橋、門驅(qū)動器和布線正確且優(yōu)化設(shè)計時,這種電路的優(yōu)勢才能得到實現(xiàn)。在測量結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致時,可能很難提取與被測器件有關(guān)的有意義的細節(jié)。更糟糕的是,基于探頭位置和其他因素,波形可能會明顯變化,最終會讓設(shè)計人員得不償失。
圖1.半橋電路廣泛用來在現(xiàn)代設(shè)計中高效轉(zhuǎn)換電能。
效率和功率密度要求經(jīng)常會隨著應(yīng)用設(shè)計要求變化,如是否要優(yōu)化性能價格比。在功率密度中改善能效的要求,決定著設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu),進而影響著要考慮的測量設(shè)備和技術(shù)。表1匯總了半橋和門驅(qū)動器最重要的指標和測量。
表1. 門驅(qū)動器和半橋配置最重要的測量。
準確進行功率測量離不開測量系統(tǒng)在多個方面的性能,包括電壓處理、共模抑制、連接能力、溫度處理能力、測量非常小的電流的能力。盡管功率設(shè)計要求日新月異,但測試測量技術(shù)的實際發(fā)展一直有些滯后。在某些情況下,設(shè)計人員不得已開發(fā)定制測量解決方案,或只能近似獲得部分測量,忽視可能的優(yōu)化。
在最基礎(chǔ)的層次上,這些測量使用示波器及一套相應(yīng)的探頭執(zhí)行。在進行準確可靠的功率測量方面,示波器幾乎不成問題。而最大的挑戰(zhàn)是從測試點到示波器獲得信號。因此,選擇適當(dāng)?shù)奶筋^完成工作至關(guān)重要,不管是無源探頭還是單端探頭,是傳統(tǒng)高壓差分探頭、電流探頭還是隔離探頭。
單端探頭 – 低壓側(cè)測量
大多數(shù)示波器都會配有一套無源或單端探頭。這些探頭只能準確地測量以示波器地電平為參考的信號,且限于進行低壓側(cè)測量。通過隔離示波器,或使用一對探頭進行偽差分測量(參見后面的討論),您可以使用無源探頭執(zhí)行高壓側(cè)測量,但一般不推薦采用這種方法。
在考慮某項測量任務(wù)需要多高的探頭性能時,人們一般會把重點放在帶寬上。傳統(tǒng)思維認為,帶寬越高,性能就越高。的確,帶寬是一個重要指標,它決定了可以測量正弦波峰峰值幅度的最高頻率。但實際上,您并不是在頻域中測量正弦波,而是要顯示和測量信號隨時間變化,也就是在時域中測量信號。
因此,半橋和門驅(qū)動器測量中最應(yīng)關(guān)注的性能指標是上升時間。上升時間可以從帶寬中計算得出,但如果想可靠地了解測量系統(tǒng)的上升時間和全部時間響應(yīng),唯一的方式是使用階躍信號來實際測量上升時間,這個階躍信號要遠遠快于您測量的信號。
測量系統(tǒng)如果上升時間性能不足,那么就會出現(xiàn)階躍響應(yīng)畸變,如圖2所示,包括非線性度、變圓和頂降。可能很難確認這些畸變是實際來自測量系統(tǒng)還是來自被測器件,只有通過表征測量系統(tǒng)才能找到真正答案。為避免這些測量誤差,選擇的探頭的上升時間一定要快于被測器件的上升時間。
圖2. 在功率器件測量精度中,上升時間指標要比帶寬指標更重要。
圖3顯示了快速探頭的意義,其中使用1 GHz無源探頭測量高速FET驅(qū)動器的低壓側(cè),該驅(qū)動器的產(chǎn)品資料中顯示上升時間< 1 ns。由于這只探頭的上升時間指標在450 ps左右,所以我們能夠測量略高于500 ps的上升時間。如果進行這一測量時使用的探頭上升時間較慢,比如500 MHz探頭,那么波形前面拐角處的高頻成分會變圓。
圖3. 由于450 ps上升時間指標,1 GHz泰克TPP1000無源探頭能夠準確地測量高速FET。
測量門驅(qū)動器電流
在測量門驅(qū)動器電流時,許多設(shè)計人員使用外加電流分流器,而不是電流探頭,原因很簡單,因為使用電流探頭測量環(huán)路的電感會影響電路。通常來說,設(shè)計中在門驅(qū)動器和門之間會已經(jīng)串聯(lián)了一個電阻器。為使插入阻抗達到最小,電流分流器的阻值會保持得非常低,所以經(jīng)過電流分流器的電壓下跌也會非常低。通過先測得經(jīng)過電流分流器的電壓下跌值,然后再除以電阻器的已知電阻,可以得出電流。
把電流分流器連接到低壓側(cè)上,通常意味著一個端子接地。放在低壓側(cè)與放在高壓側(cè)的主要差異,是放在低壓側(cè)會降低或有效消除共模電壓,共模電壓會在電流分流器的任意一側(cè)同時同相出現(xiàn)。因此,一般推薦在低壓側(cè)放置電流分流器,特別是在高壓情況下。在高流應(yīng)用中,接地彈跳會顯示為共模信號。
隔離示波器
打破接地環(huán)路的技術(shù)之一,是“隔離示波器”或隔離被測電路。浮地會打破與接地的連接,在理論上可以在兩個測試點之間進行差分測量,因為示波器接地已經(jīng)被破壞。這種方法本身就是危險的,因為它破壞了觸電保護,還可能會損壞測量設(shè)備。
浮動測試可能適用于某些測量,特別是在非常低的頻率上,但要注意如果沒有低阻抗接地連接,來自示波器的放射輻射和傳導(dǎo)輻射可能會以噪聲形式干擾測量。另外注意,在較高頻率中斷接地時,可能并不會中斷接地環(huán)路,因為“浮動”電路會一直通過大的寄生電容保持耦合接地,從而導(dǎo)致振鈴和波形失真。圖4顯示了高壓側(cè)門驅(qū)動器上的浮動測量。振鈴和失真很明顯,出現(xiàn)了高達28 V過沖。
圖4.在這個高壓側(cè)門驅(qū)動器浮動測量中,明顯有振鈴、失真和28 V過沖。
也可以使用偽差分測量(而不是無源探頭),可能滿足某些低頻信號測量。通過進行兩個地電平參考的信號測量,使用示波器對兩條示波器通道進行減法運算,可以完成測量。在圖5中,示波器從CH1的波形中減去CH2的波形,得到紅色波形。兩個輸入必須設(shè)置成相同的標度,探頭必須一模一樣且緊密匹配。這種技術(shù)中的共模抑制比(CMRR)很差,如圖5所示,特別是在更高頻率下,可能會超過示波器輸入范圍。CMRR是指示波器在進行差分測試時抑制兩個測試點的共模電壓的能力。
圖5. 偽差分測量性能有限,但對擁有低共模信號的超低頻信號測量足夠了。
差分探頭
對大多數(shù)GaN和SiC應(yīng)用,差分探頭是準確進行低壓側(cè)測量和某些高壓側(cè)測量的很好選擇。但對性能更高的器件來說,最可能的情況是傳統(tǒng)高壓差分探頭并不是最佳選擇,因為其在更高的頻率下共模抑制能力不足。在執(zhí)行高壓側(cè)電壓測量時,這成為一個明顯的問題,因為要在快速開關(guān)跳變過程中,在存在大的共模電壓的情況下測量小的差分電壓。
一個常見的誤解是差分探頭是浮動的。其實,傳統(tǒng)差分探頭基于差分放大器,差分放大器則連接到接地上。遺憾的是,這種連接限制了共模電壓范圍,導(dǎo)致頻率額定值下降,產(chǎn)生接地彈跳,在帶寬超過一定MHz時會限制共模抑制比。
在測試通電的GaN或SiC器件時,這些局限性尤其明顯,因為這些器件擁有超快速開關(guān)速率,甚至有標稱的共模電壓。例如,100 MHz帶寬差分探頭在DC時提供了-70 dB CMRR,在1 MHz時提供了-50 dB CMRR,而在100 MHz時則下降到-27 dB CMRR,大約是22 : 1。
探頭產(chǎn)品技術(shù)資料中很難看到這么差的指標,因為額定值隨頻率下降不可能成為廠家推廣的指標。您需要翻查用戶手冊,才會找到像圖6這樣的示圖,但我們很容易就能計算出CMRR較差的影響。例如,對600 V共模電壓,得到的誤差是27 V (600除以22)。這種表現(xiàn)很扎眼,因為在存在600 V共模電壓時,使用誤差這么大的探頭是不可能準確測量高頻15 V差分信號的。
圖6. 100 MHz帶寬差分探頭在頻率提高時CMRR額定值下降到-27 dB。
在計算共模抑制時,另一個考慮因素是探頭和DUT之間的連接。大多數(shù)共模抑制指標只包括探頭,沒有考慮額外的連接選項,如大的掛勾夾。
由于缺乏足夠的探測配件,許多電源設(shè)計人員求助于某些替代技術(shù)來執(zhí)行高壓側(cè)器件測量,如先測量低壓側(cè),使用全面仿真推導(dǎo)高壓側(cè)結(jié)果,考察發(fā)熱的特點、EMI接近式探測,如果這些方法都行不通,那么就只能試錯了。
高性能隔離探頭
SiC和GaN 功率器件擁有超快速開關(guān)速率和高標稱共模電壓,在測試這些器件時,單端探頭和差分探頭的局限性變得更加明顯。由于這些信號捕獲問題源于接地需求,因此可行的解決方案所采用的探頭技術(shù)不能依賴于接地,從而或多或少地不受共模電壓的影響。這種隔離探頭完全通過光纖運行,提供了大量的優(yōu)勢,包括高達1 GHz的帶寬、大的差分電壓范圍、在所有頻率中提供了完美的共模抑制能力。
在執(zhí)行高壓側(cè)VGS測量時,工程師需要查看足夠的波形細節(jié),來確認仿真,評估信號特點,如與圖7中表示的理想狀態(tài)相比產(chǎn)生的振鈴。高壓側(cè)VGS打開,第一個區(qū)域表示CGS門源充電時間,后面是米勒平臺。在通道進行傳導(dǎo)后,門將充電到最終值。
圖7. 這是高壓側(cè)VGS理想狀態(tài)的示意圖。
圖8比較了使用傳統(tǒng)高壓差分探頭與使用高性能隔離探頭進行高壓側(cè)VGS測量,明顯可以看出,在傳統(tǒng)探頭提供的測量基礎(chǔ)上,很難提取有意義的信息,制訂設(shè)計決策。
圖8. 隔離高壓差分探頭提供了優(yōu)化器件性能所需的信心。
相比之下,隔離高壓測量系統(tǒng)為測量、表征和優(yōu)化設(shè)計性能提供了所需的分辨率和可重復(fù)性。可以明顯看出米勒平臺及開關(guān)到節(jié)點轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)。這個波形清楚地顯示了以前隱藏的諧振和信號細節(jié),從而為優(yōu)化性能、開發(fā)設(shè)計而又不會過于保守提供了所需的信心。
高壓側(cè),低壓側(cè)交互
對容差緊張的GaN器件,開關(guān)節(jié)點中低壓側(cè)開關(guān)與高壓側(cè)門極之間的寄生耦合,是診斷起來比較困難的問題之一。圖9顯示了來自高壓側(cè)的過沖或振鈴傳遞到低壓側(cè)的情況。如果不能執(zhí)行準確的高壓側(cè)測量,這種情況是無從知曉的,其會產(chǎn)生大量的問題,至少會導(dǎo)致開關(guān)和效率損耗和劣化,最壞情況是低壓側(cè)和高壓側(cè)開關(guān)同時打開導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。
圖9. 能夠查看實際波形,使得診斷和解決開關(guān)節(jié)點之間的寄生耦合等問題成為可能。
小結(jié)
可以肯定地說,半橋和門驅(qū)動器測量面臨著諸多挑戰(zhàn),必須克服這些挑戰(zhàn),才能全面利用最新寬禁帶器件的優(yōu)勢。這要求正確的測量技術(shù)和強大的測量解決方案。通常來說,問題的根源不在于示波器,而在于探頭的選擇上。高壓側(cè)門測量尤其困難,但通過了解共模抑制比,及隔離高壓差分探頭在存在高共模電壓情況下可以怎樣實現(xiàn)精確可靠地測量,許多相關(guān)挑戰(zhàn)都能迎刃而解。
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(來源:泰克科技公司,作者:泰克科技公司,WilsonLee)
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