如何测量最快的功率开关

    稳压器和DC-DC电源内的硅功率器件不久将会被GaN FET代替。与硅MOSFET相比，其开关速度要快得多，且RDS(on)更低。这将能增强电源的电源效率，为大家带来益处。如果您正在设计带有GaN器件的电源电路，您需要掌握该器件的开关速度。为测量这一速度，示波器、探头和互连的速度必须足够快，以尽量减少其对测量产生的影响。

    关于器件性能，我常被问到的问题就是“它们究竟有多快？”通常我会回答是：它们非常快，但实际上我并不知道具体有多快。为探明真相，我使用33GHz实时示波器和高速传输线探头对其进行了测量。我将探讨影响器件速度的设计限制因素及其未来的发展前景。经过这些测量，我相信我们将很快能设计出开关速度达到250MHz的电源。

    图1显示了用来进行测量的两个评估板。这两个评估板都配备了一个栅极稳压器、一个驱动器、一个脉冲调节器和两个eGaN开关。右侧的电路板是一个完整的DC-DC转换器，其含有一个Gen4单片半桥（两者在同一晶圆上开关），并含有一个L-C输出滤波器。左边的评估板在半桥配置上采用了单独的Gen3 eGaN器件，没有L-C输出滤波器。在这两种情况下，外部脉冲发生器通过焊接到测试板脉宽调制（PWM）输入的BNC连接器来提供PWM信号。在输入电压为5V和12V的情况下，我在各评估板上测量了开关上升时间。

    图1：这里仅在左侧的电路板上配备了半桥配置，右侧的电路板配备了完整的DC-DC转换器。香蕉插座可将测试板连接至电子负载。通过BNC连接器可连接至外部脉冲发生器。

    仪器和探头要求

    为确保仪器和探头不会对测量造成重大影响，我们可以假设，能够用和方根法把探头、示波器和半桥的上升时间加起来。尽管这种方法并不总是正确，但我们在初估计中可假设这一关系成立。

    测得的半桥上升时间包括示波器的上升时间和探头的上升时间，为：

    半桥的实际上升时间可按照下式确定：

    为了将测量误差限制到某个百分比K，仪器的上升时间可以与实际的上升时间关联起来：

    对K求解，仪器上升时间与实际半桥上升时间的比值为：

    因此，对于这两个例子，如果我们希望测量结果低于5%或10%，则示波器和探头的上升时间需分别低于FET上升时间的32%或46%。换句话说，仪器的上升时间应分别比FET上升时间快3.1或2.2倍。

    测量开关性能

    这里使用的示波器为带有Teledyne LeCroy PP066传输线探头的Keysight 90000-X系列33 GHz示波器。示波器与探头通过50 GHz Huber+Suhner Sucoflex-100电缆连接。该设置的上升时间使用20ps快沿脉冲来记录，结果如图2显示。为了确保测量有效，用于进行这些测量的示波器和探头的上升时间要比上述的值快得多，因此可实现“完美测量”。

    图2：使用配有Huber Suhner Sucoflex 100 50GHz电缆和Teledyne Lecroy PP066传输线探头的33GHz Keysight Infiniium 90000-X示波器，测量得到的边沿脉冲上升时间约为20ps。测量结果显示，测试设置的上升时间小于27.69ps，其中包括20ps脉冲上升时间。

    得到的27.69ps上升时间包括20ps的脉冲上升时间，可使用和方根法减去它来确定示波器、探头和电缆的上升时间。在减去脉冲沿的情况下，可以完全确定设备上升时间小于27.69ps，因此我们可以用其进行保守估计。

    根据此前的计算，并使用仪器上升时间27.69ps的保守估计，我们可以在K%范围内测量半桥的上升时间。

    测量设置能够以0.5%的测量276ps，以0.1%的测量619ps。完整的仪器设置如图3所示。

    图3：用于DC/DC转换器的完整仪器设置展示。测试板输入电压调节至12V，栅极驱动调节器供电电压为7V。右下方显示了负载，Keysight 90000-X示波器、Teledyne Lecroy PP066传输线探头和Huber Suhner Sucoflex 100电缆等也都可以在图上看见。

    测得的性能

    图4显示了输出电压约为1V和负载电流为20.0A时DC-DC转换器的上升时间。测量是在测试板输入电压为5V和12V的情况下进行的。

    图4：输入电压为5V和12V时，在测试板上测得的上升时间分别为682.33ps和561.13ps。DC/DC转换器的工作负载为20.0A。

    测得的上升时间如图5所示。单独测量半桥时，也是在输入电压为5V和12V下进行的。

    图5：当输入电压为12V和5V时，所测得的上升时间分别为538.87ps和332.68ps。这只是半桥的，因此无负载。

    按照此前的计算，在探头和示波器的上升时间为27.69ps及测得的快上升时间为332.68ps的条件下，所有四项测量结果都在0.5%范围内。结果显示在表1中。

    表1，测试结果概述

    这些测得的上升时间约比同等硅MOSFET快3倍，RDS(on)约为1/3。通常情况下，终结果的效率要高3%，并且热负荷降低。

    设计限制

    通过这些测量结果，您可以看出这些器件的开关速度极快，但我们仍旧不知道器件的快速度是多少，也许永远也不会知道。鉴于我们刚测量过这些速度，怎么会这样？有一些关键的限制因素是我们无法评估的，至少目前还无法评估。其中一个就是电源回路电感和较小的GaN晶体管电容之间的谐振产生的振铃，这在所有上升时间测量中都显而易见。电容值是固定的，而电感至少在一定程度上（如果不是非常明显）是由于输入电容器和互连PCB背板的等效串联电感（ESL）导致的。

    驱动器通过PCB走线连接起来，驱动器本身的边沿速度约为1ns，这比GaN PET开关速度要慢得多。随着GaN技术朝材料极限发展（仍有几个数量级），且驱动器性能增强、寄生效应减小和集成度提升成为现实，速度/性能将持续改进。同时，GaN FET输出电容将继续减少，从而开关速度将进一步得到提升。

    这一切意味着什么

    若使开关速度达到硬开关应用开关周期的1%~2%，您可以看到，开关速度可接近50MHz。现在，限制条件是栅极驱动器的寄生元件，其不能在这样的速度下运行。我认为，使用谐振开关拓扑结构时，DC/DC转换器的开关速度可达到250MHz以上。尽管材料的本质限制无法和GaN器件的性能匹敌，但硅器件仍将持续得以改善。