测量基于GaN的电源中的交叉传导

这种测量交叉传导的简单且经济高效的方法利用了GaN 晶体管的独特特性。

今天，大多数电源路线图都将 GaN 晶体管作为关键平台纳入其中。与 Si MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET 相比，GaN 晶体管的优势意味着工程师正在将它们广泛地设计到他们的系统中。然而，开关电源中 GaN 晶体管的这些进步也使得表征这些电源的性能变得越来越具有挑战性。测量半桥中的高侧 V GS是诊断晶体管交叉传导的传统方法，对于基于 GaN 的设计来说可能是一项艰巨的任务。典型的解决方案是使用高成本的测量设备，这并不总能产生有用的结果。本文展示了一种使用 GaN 晶体管的独特特性来测量交叉传导的简单且经济高效的方法。

用于升压或降压转换器和双向转换器中同步整流的半桥和全桥配置为高侧和低侧晶体管使用互补驱动信号。驱动信号必须在半桥中的一个晶体管关断和另一个晶体管导通期间包含少量“死区时间”，以确保晶体管不会交叉导通。当半桥配置中的晶体管同时导通时，会发生交叉传导，这种情况会增加损耗并可能损坏晶体管。增加死区时间有助于保护晶体管，但也会产生另一种类型的损耗，当两个晶体管都关闭时，会降低电桥的效率并降低电源转换器的可用占空比范围。因此，在确保不发生交叉传导的同时最大限度地减少电桥的死区时间是一个关键的设计目标。验证此操作是一项挑战。

验证电源半桥拓扑正确交叉传导操作的常用方法是使用两个探头同时验证高侧和低侧驱动信号之间的死区时间。测量 GaN 晶体管驱动信号，尤其是高侧栅极，具有挑战性，并且经常导致误触发，让设计工程师感到沮丧。

GaN 器件的栅极信号具有大约 1V/ns 的高压摆率，这对使用传统隔离探头的高端测量提出了挑战。如果测量系统没有足够的共模抑制比 (CMRR)，高侧源节点快速变化的共模电压会导致干扰，从而使测量变得模糊。此外，传统无源电压探头引入的寄生电容会使栅极驱动信号失真，导致交叉传导。

光隔离测量系统（例如泰克 TIVH 系列 IsoVu）的 DC CMRR 大于 160 dB，可提供可实现的高侧 V GS测量解决方案。这种测量系统还必须最小化传感回路面积并提供增强的屏蔽测量信号路径。这样做要求电源转换器电路板设计包括配备专用连接器的探针点，如微型同轴 (MMCX) 连接器，提供对关键信号的低电容访问。图 1 显示了高端 V GS测量结果和使用 GS66516T GAN 晶体管的双脉冲测试板。TIVH 系列 IsoVu 和 MMCX 连接器用于实现这一点，如图 2 所示。

图 1：左图显示了使用泰克 IsoVu 测量系统在 I Load =23A 时针对不同 R g_on测得的高侧 V GS。GS66516T 双脉冲测试 (DPT) 板如右图所示。

图 2：测量设置包括 IsoVu 系统（左）和带有 MMCX 连接器的 DPT 板（右）。

测量系统的成本以及信号路径的额外复杂性和灵敏度为更具成本效益和灵敏度更低的解决方案留下了空间。GaN Systems 的工程师开发的一种方法仅测量低侧晶体管，解决了这些问题。

典型的 GaN 半桥硬开关导通转换示意图如图 3 所示，代表性的低侧 I D曲线如图 4 所示。在电压换向期间（图 3d），两端的电压S 1增加而S 2两端的电压降低。因此，晶体管的漏源电容C 1和C 2将分别被充电和放电。由于S 2的二维电子气（2DEG）通道导通而S 1的2DEG通道关闭，C 1的充电电流流经S 2并会导致电流突增。

图 3：这些硬开关转换图显示了 S 1传导 (a)、死区时间 (b)、电流换向 (c)、电压换向 (d) 和 S 2传导 (e)。

由于 GaN 晶体管与 Si 和 SiC MOSFET 不同，没有固有的体二极管，因此在电压换向期间没有反向恢复损耗（图 4 中的 t1~t2）。低侧漏极电流的凸块面积是来自相反开关 S 1的电容 (C OSS = C GD + C DS ) 充电电流 I Q(OSS) 的结果。

图 4：这是低侧 GaN 晶体管的硬开关开启程序

如果确实发生交叉传导，则当前凸块面积将大于从 C OSS 中预期的面积。交叉传导可以在电压换向期间、之后或期间和之后同时发生（图 5）。

图 5：在电压换向期间、之后或期间和之后发生交叉传导。

　　审核编辑：汤梓红