【R&S示波器10周年专题系列】之 高性价比氮化镓(GaN)功率半导体元器件测试方案
随着智能手机、电动汽车，智能电网，5G通讯基站，场效应晶体管，消费电子市场的蓬勃发展，电信行业不断需要更高的数据速率，工业系统不断需要更高的分辨率，这助推了半导体技术的突飞猛进。而宽禁带半导体（WBG）在实现这一切的过程中将发挥重要作用。作为第三代半导体材料，WBG具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
在当今的功率电子场频中，质量与可靠性是必须首要考虑的，而设计的重点是最大限度的提高效率和功率密度，同时最小化成本。另外，工作频率的显著增长也不断给当前的设计时间带来不小的挑战，比如对电磁干扰/兼容（EMI/EMC）性能和生产能力的改善需求。而WBG的不断进展将使上述目标都成为可能。
目前较为成熟的第三代半导体材料就是 SiC 和 GaN。其中，GaN是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为 1700℃。它具有高的电离度，出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度，且还具有低导通损耗、高电流密度等优势。GaN通常用于微波射频、电力电子、光电子三大领域，涉及到的行业包括5G通信、卫星通讯、雷达预警、新能源汽车、消费电子、智能电网、高速轨道交通、激光器、光电探测器、LED等。
而今天我们在这里，将与您聊聊，近期在消费电子市场发展势头迅猛的集成了WBG材料的移动设备快充，电源转换器的测量技术。
随着电子工业的发展，SiC 和 GaN正在突破传统材料的限制，服务广泛电子技术更多的潜能，而功率电子设计人员面临的挑战也将越来越严峻，既需要提高效率和性能，也需要满足可靠性标准，实现更高的功率密度并降低成本。改善效率的一个方法是提高开关速度，并降低开关损耗。提高开关速度通常会增加开关损耗，使得更加难以控制门极驱动。这还可能导致更高的纹波电流并加剧 EMI 问题。
使用示波器和示波器探头准确测量开关时需要更高的分辨率，并且在更高的开关频率下共模误差会增加并出现相应问题，因此导致测量充满挑战性。对于使用宽禁带材料的设计人员而言，进行此类精确测量难度甚至更大。
GaN驱动电路测试难点 – VGS (Gate-to-Source Voltage)：由于GaN功率器件具有高共模电压和高速的开关频率，在进行VGS测试时，为了能够准确测量存在于高共模电压下的差分电压，俗称上管测试。需要示波器探头有非常好的CMRR（共模抑制比）能力，同时需要测试探头具有较高的带宽以保证上升时间的测量要求。隔离探头在上述两方面有着不错的表现，但问题在于其高昂的价格（最低带宽200 MHz型号售价15万人民币以上），相较于高压差分探头其测量结果的提升远远不如价格差异明显。而且售价高昂的探头意味着一旦损坏其维修费用恐怕也会很惊人。
当然，任何一项技术的推出，在市场化应用的初期，成本是绕不开的话题。电力电子工程师想要两者兼得，既期望满足在电子测试中确保一流的性能和一致性结果，也希望测试成本不再成为负担。
那么是否有一种解决方案，既能够对GaN功率器件进行有效测试，又能够兼具性价比呢
答案是肯定的！
R&S的示波器具有高分辨率和低噪声，而针对现代功率电子的复杂测试需求而设计高压差分探头在整个频率范围内具有出色的共模抑制性能，二者结合使用，有助于电源转换器设计人员：
准确测量开关和传导过程中的功率损耗；验证从数百皮秒到数十纳秒的上升/下降时间；测量死区时间等时间事件。
R&S提供多达四种不同带宽，不同电压范围的电压差分探头，满足不同测试应用需求。
◾ 共模抑制比高，性价比高，工程师不用担心购买成本，使用成本及维修成本；
◾ 使用方便，探头无需额外供电，自动识别衰减比例，同时显示共模/差模电压值；
◾ 噪声低至15mV，提供更干净的测试环境；
◾ 配合同价位唯一提供硬件10 bit ADC的示波器主机，完美组合。
下面我们来看看实测照片
RT-ZHD16上管测试，DUT为GaN 65 W快充头
VGS测试结果，示波器为R&S RTA4000
适用于压摆率高达10 V / ns的应用中的高端栅极测量
噪声电压低于80 mV（RT-ZHD16，200 MHz）
快速上升时间实现快速瞬态（如12 ns）的测量而没有过冲
低零漂移，无需预热，且改变探头输入范围也没有影响
◾ 100 MHz – 1 GHz带宽（可升级）
◾ 5 GS/s采样率
◾ 10 bit ADC
◾ 500 μV/div全带宽硬件放大
◾ 标配80 M/1000 M存储深度
◾ 10.1寸电容触摸屏
型号 | 带宽 | 衰减比例 | 差分电压 |
R&S RT-ZHD07 | 200 MHz | 250:1 / 25:1 | ±750V / ±75V |
R&S RT-ZHD15 | 100 MHz | 500:1 / 50:1 | ±1500V / ±150V |
R&S RT-ZHD16 | 200 MHz | 500:1 / 50:1 | ±1500V / ±150V |
R&S RT-ZHD60 | 100 MHz | 1000:1 / 100:1 | ±6000V / ±600V |
结语
当前，GaN技术仍在不断发展，势头非常迅猛，在快充市场里众多手机厂商在积极入局，其中华为、小米、OPPO、realme、三星、努比亚、魅族等知名手机企业已经先后发布和推出了基于手机、笔记本电脑快充的GaN充电器，而中国本土厂商也有英诺赛科这样的厂商在提供GaN芯片。
许多功率设计人员正积极转向宽禁带半导体器件的测试，以便优化器件的效率增益、降低损耗和避免击穿。高分辨率、低噪声的R&S示波器与R&S高压差分探头的搭配方案，将最大程度地提高电源转换器的性能和效率，满足高级功率电子应用中的严苛测试需求，完成对GaN等宽禁带半导体器件测试的可靠性、安全性和性价比的多重考虑。
同时，在嵌入式电源、电源转换或电机驱动型电子设备领域，R&S的功率电子测试解决方案可确保一流的性能和一致性结果，并提供所需信息以推动产品设计上市。
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