致工程師系列之四：寬禁帶半導(dǎo)體器件GaN、SiC設(shè)計優(yōu)化驗證

第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件 GaN 和 SiC 的出現(xiàn)，推動著功率電子行業(yè)發(fā)生顛覆式變革。新型開關(guān)器件既能實現(xiàn)低開關(guān)損耗，又能處理超高速 dv/dt 轉(zhuǎn)換，且支持超快速開關(guān)切換頻率，帶來的測試挑戰(zhàn)也成了工程師的噩夢。

結(jié)合泰克新一代示波器，泰克針對性地推出帶寬 1Ghz、2500V 差模、120dB 共模抑制比的全面光隔離探頭，提供系統(tǒng)優(yōu)異的抗干擾能力，幫助工程師進行第三代半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計。工程師在設(shè)計電源產(chǎn)品時，優(yōu)化上下管的驅(qū)動條件，從而保證安全的條件下降低損耗，提高轉(zhuǎn)化效率，可以滿足寬禁帶半導(dǎo)體器件的測試需求。

TIVH 高帶寬探頭測試

在開關(guān)技術(shù)應(yīng)用中的橋式驅(qū)動上管測試中，普遍會碰到測試驅(qū)動信號的正確測試問題，現(xiàn)象表現(xiàn)為波形振蕩變大、測試電壓值誤差大，不利于設(shè)計人員的器件評估和選擇，其根本的原因在于所使用差分探頭的連接和 CMRR 共模抑制比規(guī)格滿足不了測量要求問題。泰克的 TIVH_ 差分探頭有效的解決了連接、測量帶寬、高頻 CMRR 和驅(qū)動小信號測量問題。

選擇 TIVH 差分探頭的基本原則是以驅(qū)動信號的上升時間為依據(jù)，儀器系統(tǒng)對被測點的影響小于 3%。上管信號測量考慮因素：帶寬、電壓范圍（共模和差模）、CMRR 和連接。根據(jù)測試驅(qū)動信號的上升時間來選擇的方案配置如下，探頭的帶寬最好示波器的帶寬一致?；九渲茫篗DO3K/4K + TIVH02 /TIVH05 /TIVH08； 優(yōu)化配置 MSO5/350/500/1000 + TIVH02 /TIVH05 /TIVH08。

驗證 SiC、GaN 寬禁帶器件特性

SiC 和 GaN 越來越廣泛的被應(yīng)用在電源產(chǎn)品中，當測試高壓測 Vgs 導(dǎo)通電壓時，因為頻率高（快速開、關(guān)）以及示波器探頭在高帶寬下的共模抑制不夠而導(dǎo)致不能準確測試。共模抑制差導(dǎo)致測量受到共模電壓干擾而很難準確測試實際的差分信號。泰克提供全面光隔離探頭（ISOVu)配合高達 12 位新五系示波器 MSO5 成為業(yè)內(nèi)唯一解決方案，高達 1GHz 的系統(tǒng)帶寬滿足 GaN 和 SiC。

典型“開”狀態(tài)測量設(shè)置。

此外，還需注意在較高開關(guān)頻率下對探頭電容的影響。探頭電容過高將導(dǎo)致上升沿在測量中變緩，從而導(dǎo)致錯誤的評價高頻開關(guān)特性。另外，將探頭接入極靈敏的浮動門電路信號中，可能導(dǎo)致電容充電產(chǎn)生的瞬態(tài)信號損壞設(shè)備。IsoVu 探頭的低電容也盡量減少門電路上的探頭電容問題和瞬態(tài)信號損壞設(shè)備的風(fēng)險。

憑借泰克全新 5 系示波器及 IsoVu 探頭，可以準確捕獲高側(cè)門電路電壓波形，以便評估和優(yōu)化開關(guān)性能和可靠性，而不降低 dV/dt。

松下半導(dǎo)體解決方案案例

松下正在開發(fā)超快速、超高頻率 GaN 器件，包括 600V 等級的器件，這些器件將大大優(yōu)于 SiC 和基于硅的器件。潛在的 GaN 應(yīng)用包括服務(wù)器電源、太陽能逆電器、電動汽車和 AC 電源適配器；除轉(zhuǎn)換效率高以外，GaN 器件還可以縮小電源的外部尺寸，同時在更高頻率上工作。

盡管有諸多優(yōu)勢，松下項目團隊在開發(fā)階段面臨一個極大的問題。其現(xiàn)有的測試設(shè)備特別適合硅功率器件，而 GaN 技術(shù)既在高電壓下工作，又在很高的頻率下運行，因此要求測量系統(tǒng)擁有更高的性能，同時提供更加優(yōu)異的共模抑制比。使用示波器在氮化鎵 /GaN 功率器件上執(zhí)行差分測量時，松下半導(dǎo)體面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是其試圖評估半橋電路設(shè)計的高側(cè)時，普通示波器探頭中的寄生電容會使開關(guān)波形失真。

松下項目團隊一直在努力探索 GaN 器件的高速開關(guān)性能，消除寄生電容的影響。前期使用傳統(tǒng)差分探頭進行測量沒有得到預(yù)期結(jié)果，波形還會隨著探頭接入位置不同而明顯變化，因此無法進行可重復(fù)測量?？紤]到這些測試挑戰(zhàn)，他們一直使用既耗時又復(fù)雜的手動方式，主要是估算高側(cè)電路故障。很顯然他們需要一種方式把共模電壓與關(guān)注的差分信號隔離開，這就需要一種新型探頭技術(shù)，在高側(cè)電路上直接進行測試。

由于采用創(chuàng)新的光隔離技術(shù)，IsoVu 探頭在被測器件和示波器之間實現(xiàn)了全面電流隔離。IsoVu 在 100MHz 以下時提供了 1000000:1 的共模抑制比，在 1GHz 以下時提供 10000:1 的共模抑制比，且在頻率提高時其額定值不會下降。它提供了 1GHz 帶寬和 2000V 額定共模電壓，這種性能組合使得半橋測量成為可能。利用泰克示波器和 IsoVu 探頭現(xiàn)在能夠直接觀測高側(cè)柵極電壓波形，獲得了成功開發(fā)所需的測量洞察能力。

與其他探頭不同，IsoVu 采用光電傳感器，把輸入信號轉(zhuǎn)換成光調(diào)制，在電氣上把被測器件與示波器隔離。IsoVu 采用 4 個單獨的激光器、一個光傳感器、5 條光纖及完善的反饋和控制技術(shù)。IsoVu 結(jié)構(gòu)及電流隔離技術(shù)在整個頻率范圍內(nèi)提供了>2000V peak 的耐受電壓。IsoVu 光隔離解決方案可以支持幾千伏的電壓上線。

泰克從 1946 年成立至今 70 多年的歷史，示波器及其電壓電流探頭的可靠性與穩(wěn)定性一直是業(yè)界公認的選擇，示波器是電源設(shè)計最常用的儀器，主要用于進行電源設(shè)計驗證，一般要對輸入輸出電壓或電流的波形進行測試，判定其頻率、幅值或相位是否與設(shè)計相符合。

泰克為電源原型版設(shè)計及調(diào)試提供全方位解決方案，除了文中寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 和 GaN 設(shè)計測試與優(yōu)化，還包括 MOSFET/IGBT 開關(guān)損耗、磁性器件損耗、環(huán)路響應(yīng)優(yōu)化、輸出紋波測試等。

審核編輯 黃昊宇