【導讀】相信再過(guò)不久，GaN FET 將會(huì )取代穩壓器和DC-DC電源內的硅功率器件。然而與硅MOSFET相比，開(kāi)關(guān)速度相對要快上許多，且RDS（ON)更低。要想設計帶有GAN器件的電源電路，必須要掌握器件的開(kāi)關(guān)速度。
關(guān)于器件性能，我最常被問(wèn)到的問(wèn)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(xiàn)探頭對其進(jìn)行了測量。我將探討影響器件速度的設計限制因素及其未來(lái)的發(fā)展前景。經(jīng)過(guò)這些測量，我相信我們將很快能設計出開(kāi)關(guān)速度達到250MHz的電源。
圖1顯示了用來(lái)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)柵極穩壓器、一個(gè)驅動(dòng)器、一個(gè)脈沖調節器和兩個(gè)eGaN開(kāi)關(guān)。右側的電路板是一個(gè)完整的DC-DC轉換器，其含有一個(gè)Gen4單片半橋（兩者在同一晶圓上開(kāi)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的Gen3 eGaN器件，沒(méi)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(guò)焊接到測試板脈寬調制（PWM）輸入的BNC連接器來(lái)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(kāi)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，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(lái)。盡管這種方法并不總是正確，但我們在最初估計中可假設這一關(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(lái)：
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(huà)說(shuō)，儀器的上升時(shí)間應分別比FET上升時(shí)間快3.1或2.2倍。
[page]
測量開(kāi)關(guān)性能
這里使用的示波器為帶有Teledyne LeCroy PP066傳輸線(xiàn)探頭的Keysight 90000-X系列33 GHz示波器。示波器與探頭通過(guò)50 GHz Huber+Suhner Sucoflex-100電纜連接。該設置的上升時(shí)間使用20ps快沿脈沖來(lái)記錄，結果如圖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“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(lái)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。
根據此前的計算，并使用儀器上升時(shí)間27.69ps的保守估計，我們可以在K%范圍內測量半橋的上升時(shí)間。
測量設置能夠以0.5%的精度測量276ps，以0.1%的精度測量619ps。完整的儀器設置如圖3所示。
[page]
測得的性能
圖4顯示了輸出電壓約為1V和負載電流為20.0A時(shí)DC-DC轉換器的上升時(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，所有四項測量結果都在0.5%精度范圍內。結果顯示在表1中。
表1，測試結果概述
設計限制
通過(guò)這些測量結果，您可以看出這些器件的開(kāi)關(guān)速度極快，但我們仍舊不知道器件的最快速度是多少，也許永遠也不會(huì )知道。鑒于我們剛測量過(guò)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(wú)法評估的，至少目前還無(wú)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(jiàn)。
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）導致的。
驅動(dòng)器通過(guò)PCB走線(xiàn)連接起來(lái)，驅動(dòng)器本身的邊沿速度約為1ns，這比GaN PET開(kāi)關(guān)速度要慢得多。隨著(zhù)GaN技術(shù)朝材料極限發(fā)展（仍有幾個(gè)數量級），且驅動(dòng)器性能增強、寄生效應減小和集成度提升成為現實(shí)，速度/性能將持續改進(jìn)。同時(shí)，GaN FET輸出電容將繼續減少，從而開(kāi)關(guān)速度將進(jìn)一步得到提升。
這一切意味著(zhù)什么
若使開(kāi)關(guān)速度達到硬開(kāi)關(guān)應用開(kāi)關(guān)周期的1%~2%，您可以看到，開(kāi)關(guān)速度可接近50MHz?，F在，限制條件是柵極驅動(dòng)器的寄生元件，其不能在這樣的速度下運行。我認為，使用諧振開(kāi)關(guān)拓撲結構時(shí)，DC/DC轉換器的開(kāi)關(guān)速度可達到250MHz以上。盡管材料的本質(zhì)限制無(wú)法和GaN器件的性能匹敵，但硅器件仍將持續得以改善。
相關(guān)閱讀：
充分發(fā)揮DSP強大功能的大功率開(kāi)關(guān)電源設計
實(shí)用技術(shù)：逆變橋功率開(kāi)關(guān)管門(mén)極關(guān)斷箝位電路
新型低功耗全電壓大功率開(kāi)關(guān)電源設計
