【導(dǎo)讀】相信再過不久，GaN FET 將會(huì)取代穩(wěn)壓器和DC-DC電源內(nèi)的硅功率器件。然而與硅MOSFET相比，開關(guān)速度相對要快上許多，且RDS（ON)更低。要想設(shè)計(jì)帶有GAN器件的電源電路，必須要掌握器件的開關(guān)速度。
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(huì)回答是：它們非?？?，但實(shí)際上我并不知道具體有多快。為探明真相，我使用33GHz實(shí)時(shí)示波器和高速傳輸線探頭對其進(jìn)行了測量。我將探討影響器件速度的設(shè)計(jì)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(jì)出開關(guān)速度達(dá)到250MHz的電源。
圖1顯示了用來進(jìn)行測量的兩個(gè)評估板。這兩個(gè)評估板都配備了一個(gè)柵極穩(wěn)壓器、一個(gè)驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)脈沖調(diào)節(jié)器和兩個(gè)eGaN開關(guān)。右側(cè)的電路板是一個(gè)完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其含有一個(gè)Gen4單片半橋（兩者在同一晶圓上開關(guān)），并含有一個(gè)L-C輸出濾波器。左邊的評估板在半橋配置上采用了單獨(dú)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(shí)間。
儀器和探頭要求
為確保儀器和探頭不會(huì)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(shí)間加起來。盡管這種方法并不總是正確，但我們在最初估計(jì)中可假設(shè)這一關(guān)系成立。
測得的半橋上升時(shí)間包括示波器的上升時(shí)間和探頭的上升時(shí)間，為：
半橋的實(shí)際上升時(shí)間可按照下式確定：
為了將測量誤差限制到某個(gè)百分比K，儀器的上升時(shí)間可以與實(shí)際的上升時(shí)間關(guān)聯(lián)起來：
對K求解，儀器上升時(shí)間與實(shí)際半橋上升時(shí)間的比值為：
因此，對于這兩個(gè)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(shí)間需分別低于FET上升時(shí)間的32%或46%。換句話說，儀器的上升時(shí)間應(yīng)分別比FET上升時(shí)間快3.1或2.2倍。
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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(shí)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(jìn)行這些測量的示波器和探頭的上升時(shí)間要比上述的最低值快得多，因此可實(shí)現(xiàn)“完美測量”。
得到的27.69ps上升時(shí)間包括20ps的脈沖上升時(shí)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(shí)間。在減去脈沖沿的情況下，可以完全確定設(shè)備上升時(shí)間小于27.69ps，因此我們可以用其進(jìn)行保守估計(jì)。
根據(jù)此前的計(jì)算，并使用儀器上升時(shí)間27.69ps的保守估計(jì)，我們可以在K%范圍內(nèi)測量半橋的上升時(shí)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。
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測得的性能
圖4顯示了輸出電壓約為1V和負(fù)載電流為20.0A時(shí)DC-DC轉(zhuǎn)換器的上升時(shí)間。測量是在測試板輸入電壓為5V和12V的情況下進(jìn)行的。
測得的上升時(shí)間如圖5所示。單獨(dú)測量半橋時(shí)，也是在輸入電壓為5V和12V下進(jìn)行的。
按照此前的計(jì)算，在探頭和示波器的上升時(shí)間為27.69ps及測得的最快上升時(shí)間為332.68ps的條件下，所有四項(xiàng)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
設(shè)計(jì)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(yuǎn)也不會(huì)知道。鑒于我們剛測量過這些速度，怎么會(huì)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(gè)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(shí)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(dǎo)致的。
驅(qū)動(dòng)器通過PCB走線連接起來，驅(qū)動(dòng)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(gè)數(shù)量級），且驅(qū)動(dòng)器性能增強(qiáng)、寄生效應(yīng)減小和集成度提升成為現(xiàn)實(shí)，速度/性能將持續(xù)改進(jìn)。同時(shí)，GaN FET輸出電容將繼續(xù)減少，從而開關(guān)速度將進(jìn)一步得到提升。
這一切意味著什么
若使開關(guān)速度達(dá)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(dòng)器的寄生元件，其不能在這樣的速度下運(yùn)行。我認(rèn)為，使用諧振開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度可達(dá)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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