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      SiC和GaN系統設計工程師不再迷茫

      2018-10-30 11:21 ? 次閱讀

      作者:泰克科技公司,Andrea Vinci / Tom Neville

      SiC和GaN MOSFET技術的出現,正推動著功率電子行業發生顛覆式變革。這些新材料把整個電源轉換系統的效率提高了多個百分點,而這在幾年前是不可想象的。

      在現實世界中,沒有理想的開關特性。但基于新材料、擁有超低開關損耗的多種寬禁帶器件正在出現,既能實現低開關損耗,又能處理超高速率dv/dt轉換,并支持超快速開關頻率,使得這些新技術既成就了DC/DC轉換器設計工程師的美夢,但同時也變成了他們的惡夢。

      比如一名設計工程師正在開發功率轉換應用,如逆變器馬達驅動控制器,或者正在設計功率因數校正電路PFC),需要把電源效率提高到99%甚至接近極限。他們會面臨什么樣的挑戰呢?

      使用低損耗晶體管只是他們必須翻越的整座大山的第一步。全面隔離的柵極驅動器電路必須能夠正確驅動和控制功率等級,這會產生多個必須解決的問題,從隔離到電路保護技術,來避免所謂“饋通”問題的引起的潛在災難。

      在設計高頻轉換器時,大部分設計時間用在仿真和驗證上,以確認已經考慮并解決所有可能的問題。

      一個天才的PCB設計師可以在布線上做到完美,但寄生信號仍然存在,且潛伏在每個角落,這就夠設計團隊忙的了,當然在這個過程中他們可以對新器件封裝、新系統布線和新拓撲方面積累經驗。毋庸置疑,如果切換到新的SiC和GaN器件是非常復雜。

      這種情況在功率系統設計項目中相當常見。將PFC/電源市場與光伏逆變器市場關聯起來,把xEV汽車市場與消費無線充電應用關聯起來,這是將SiC和GaN技術發揮最大化的共同期待愿望。

      當然,這些不同應用系統之間的要求差異很大。設計人員對半導體器件的電場強度、導通電阻或阻斷電壓要求,可能會迫使其轉入非常具體、非常窄的泳道。而不管是在250kHz下使用SiC 的20kW電動汽車充電樁設計人員,還是開發6.78MHz基于GaN的無線功率設計的諧振拓撲設計人員,他們都面臨著許多共同的問題。

      在這兩種情況下,設計人員都需要以高精度清楚地表征靜態損耗和開關損耗。他們都需要清楚地處理和管理散熱問題,量化冷卻介質。他們的桌子上可能都擺著一大本新一代變壓器電感器電容器產品目錄,而他們以前從來沒用過這類產品。當面臨EMC驗證時,他們會非常擔心焊接式探頭接入線可能會變成迷你天線。

      他們還開始認識到,他們過去使用的儀器及附件可能不足以滿足當前測試需求。

      他們必需測試幾千伏的擊穿電壓,同時檢測低至飛安級的泄漏電流。電源、萬用表示波器,是否還能勝任完成任務呢?

      由于必須同時測量所有這些MOSFET Vgs和Vds及電流,在精確表征時延的前提下,他們還能使用四通道示波器和一些外部觸發信號技巧來實現同步嗎?他們應該花多少時間對波形進行后期處理并將它們全部放在一起以形成對電路特性的判斷?他們是否有足夠的靈敏度,在舊示波器上進行柵極閾值電壓測量,以及在屏幕上追蹤振蕩,它們是真實的還是來自探頭引線?

      SiC和GaN也不例外,設計人員幾乎全都遇到過多個痛點和測量挑戰,包括:

      l高dv/dt、高di/dt和高開關頻率會產生EMI相關的問題

      l在高共模電流的情況下測量低電壓

      l高壓過沖

      lPCB布線設計中的串擾和其他問題

      l確定來自測量系統的錯誤百分比

      Vgs測量問題

      在另一個領域設計如相臂或半橋拓撲結構中,設計人員竭力測量拓撲中的Vgs,如圖1所示。

      SiC和GaN系統設計工程師不再迷茫

      圖1:典型的相臂或半橋拓撲結構。

      在這種結構中,當一個SiC MOSFET開啟時,超高dv/dt包括互補MOSFET的門極到源極電壓(Vgs),如圖2所示。

      SiC和GaN系統設計工程師不再迷茫

      圖2:Vgs測量的相關挑戰示意圖。

      當然,您不希望降低dv/dt,因為高的轉換速率才能讓這些器件實現最低的開關損耗。

      因此,必須用不同的方式解決這個問題,通過在柵極驅動器側工作以主動控制切換過程中兩級的柵極電阻。

      此外,資深的PCB設計人員必須確保總線和連接通路實現最小的電感效應,以免對電感環路引起的電壓和過沖振鈴帶來太多影響。在實際電路中,必須同時測量高壓側和低壓側Vgs,來驗證所有這些單元,以表征脈寬調制(PWM)延遲時間,最大限度地降低死區時間,提高性能。然后您必需測量電流及兩個Vds,以全面表征開關損耗。

      四通道示波器不足以勝任這一工作,典型的8位ADC沒有提供足夠的垂直分辨率。此外,現在已經證實,大多數實驗室中常用的探頭也是不夠的,其中也包括性能較好的差分探頭,而傳統上一直認為這些探頭足以在高壓側進行浮動測量。

      傳統差分探頭是基于與地連接的差分放大器。這種接地方式限制了共模電壓范圍,導致共模電壓頻率額定值降低,產生接地環路,并限制了共模抑制。

      幸運的是,就像寬禁帶器件產生顛覆式變革一樣,電源效率測量解決方案也在發生顛覆式變革。

      新型測量解決方案

      這個領域中的典型測量系統基于示波器和差分探頭,差分探頭在被測器件(DUT)與示波器之間提供連接。示波器選型至關重要,包括適當的帶寬、本底噪聲、垂直分辨率、通道數量和應用軟件。探頭選型也至關重要,因為探頭性能可能會成為測量系統的限制因素。

      在需要進行差分測量時,由于共模抑制比的限制、幅度特性下降、頻響及探頭輸入引線導致的寄生信號等限制,上述傳統差分探頭通常不能很好地表征實際信號。在測試SiC和GaN功率器件時,因為SiC和GaN功率器件的開關速度快,標稱共模電壓高,這些限制影響會進一步放大。

      SiC和GaN系統設計工程師不再迷茫

      圖3:IsoVu測量系統。

      由于捕獲這些信號的問題源自接地需求,因此可行的解決方案應該是不依賴接地的探頭技術,由于不依賴接地,所以其或多或少不受高共模電壓的影響。泰克科技公司開發的IsoVu測量系統可以實現以上的測試需求,其完全通過光纖進行操作。

      IsoVu測量系統是Vgs測量的一個飛躍,也是唯一同時擁有必須高帶寬、高共模電壓和高共模抑制比的解決方案,能夠實現寬禁帶MOSFET的新應用中所需的差分測量。IsoVu與DUT完全實現電信號隔離,采用光電傳感器,把輸入信號轉換成光調制,在電氣上把DUT與示波器隔開。

      傳感器頭連接到測試點上,全面實現電隔離,通過其中一條光纖供電。探頭尖直到連接點全程屏蔽,最大限度地降低寄生信號。探頭不僅為功率轉換測試提供了明顯的優勢,還特別適合嚴格的EMI和ESD測試要求。

      與電氣探頭要盡可能短不同,電纜長度對基于光纖的測量系統并不是問題。在DUT與示波器必須(或應該)相距一定距離時,遠程測量功能會非常有用。

      圖4:泰克示波器。

      IsoVu系統適用于大多數泰克示波器,但最佳搭檔是與新型5系列MSO示波器的12位垂直分辨率結合使用,5系列示波器在一臺儀器中提供了最多8條模擬通道,同時還提供了高級功率分析軟件。憑借這種組合,設計人員終于可以利用寬禁帶材料為DC到DC功率轉換器提供的所有優勢,同時對三相功率電子、電源設計、汽車電子等也是明顯的進步。

      關于作者

      Andrea Vinci是泰克-吉時利歐洲業務拓展經理。他擁有意大利帕多瓦大學電子工程碩士學位。

      Tom Neville是泰克科技公司時域產品事業部產品規劃師和產品市場經理。他擁有波特蘭州立大學的電子工程碩士學位和美國西點軍校學士學位。Andrea和Tom一直專注于功率應用測量解決方案。www.tektronix.com.cn

      關于泰克科技

      泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創新、精確、操作簡便的測試、測量和監測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動創新能力。70多年來,泰克一直走在數字時代前沿。

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      發表于 02-27 08:00 ? 55次 閱讀
      新型SiC光導開關特性研究論文的詳細資料說明

      礦石收音機原理視頻

      礦石收音機是指用天線、地線以及基本調諧回路和礦石做檢波器而組成的沒有放大電路的無源收音機,它是最簡單....
      的頭像 發燒友學院 發表于 02-26 15:21 ? 355次 閱讀
      礦石收音機原理視頻

      礦石收音機的制作視頻

      礦石收音機是指用天線、地線以及基本調諧回路和礦石做檢波器而組成的沒有放大電路的無源收音機,收音機愛好....
      的頭像 發燒友學院 發表于 02-26 15:14 ? 533次 閱讀
      礦石收音機的制作視頻

      GAPWAVES最新第二代28GHz有源5G天線具有高EIRP和低功耗性能

      中國,北京 – 2019年2月26日 – 移動應用、基礎設施與航空航天應用中 RF 解決方案的領先供....
      發表于 02-26 14:53 ? 342次 閱讀
      GAPWAVES最新第二代28GHz有源5G天線具有高EIRP和低功耗性能

      你能猜出哪些是AI生成的圖片么?AI生成的人臉照片已能以假亂真!

      是不是有些不可思議?左邊這張怎么看都像是一張普通的照片啊,怎么會是 AI 生成的呢?但事實就是如此,....
      的頭像 電子發燒友網工程師 發表于 02-25 16:36 ? 816次 閱讀
      你能猜出哪些是AI生成的圖片么?AI生成的人臉照片已能以假亂真!

      華為推出“5G路由器” 可以把5G信號轉為Wi-Fi信號再鏈接用戶設備

      尤其是華為,不僅帶來了極具突破性的5G折疊屏手機Mate X,還帶來了新款MateBook X Pr....
      發表于 02-25 13:48 ? 424次 閱讀
      華為推出“5G路由器” 可以把5G信號轉為Wi-Fi信號再鏈接用戶設備

      康普與諾基亞合作 開發無源/有源混合一體化天線解決方案

      中國上海,2019年2月22日 - 面對即將到來的5G時代,移動寬帶市場需求呈現出前所未有的增長態勢....
      發表于 02-24 10:44 ? 331次 閱讀
      康普與諾基亞合作 開發無源/有源混合一體化天線解決方案

      Cosel推出40W DC/DC轉換器MGF40——可靠性高,保修十年

       MGF40系列適用于各種高要求的應用場合,提供三種輸入電壓的選擇:分別是4.5V-13V、9V-3....
      發表于 02-23 10:38 ? 213次 閱讀
      Cosel推出40W DC/DC轉換器MGF40——可靠性高,保修十年

      HFSS天線設計電子書籍的介紹

      《HFSS天線設計》本書主要介紹了天線設計的理念以及如何使用HFSS仿真軟件來仿真設計各類天線,包括....
      的頭像 電子發燒友網工程師 發表于 02-23 10:27 ? 295次 閱讀
      HFSS天線設計電子書籍的介紹

      基于工業物聯網應用的5G網絡仿真解決方案

      此次概念驗證演示采用 Qualcomm Technologies(Qualcomm 旗下的子公司)的....
      發表于 02-23 07:53 ? 184次 閱讀
      基于工業物聯網應用的5G網絡仿真解決方案

      射頻識別系統的基本組成

      RFID系統在具體的應用過程中,根據不同的應用目的和應用環境,RFID系統的組成會有所不同,但從RF....
      的頭像 發燒友學院 發表于 02-22 15:27 ? 457次 閱讀
      射頻識別系統的基本組成

      GAN應用缺陷的解決方法分享

      盡管 GAN 領域的進步令人印象深刻,但其在應用過程中仍然存在一些困難。本文梳理了 GAN 在應用過....
      的頭像 電子發燒友網工程師 發表于 02-22 09:44 ? 1051次 閱讀
      GAN應用缺陷的解決方法分享

      XP Power正式推出兩款超寬輸入范圍、高功率密度的DC-DC轉換器

      XP Power正式宣布推出兩款超寬輸入范圍、高性價比、高功率密度的DC-DC轉換器,適用于鐵路牽引....
      的頭像 人間煙火123 發表于 02-22 08:34 ? 893次 閱讀
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      射頻GaN需求飆升,專利申請戰全面啟動

      RF GaN已被工業公司認可并成為主流。從知識產權的角度來看,美國和日本主導著整個RF GaN知識產....
      發表于 02-21 10:26 ? 530次 閱讀
      射頻GaN需求飆升,專利申請戰全面啟動

      隨著5G的到來 高通將推出下一代5G調制解調器和新型毫米波天線

      毫無疑問,5G將成為今年MWC 2019的焦點。經過多年宣傳,但卻一直沒有任何真正的5G產品,這將是....
      發表于 02-21 08:44 ? 388次 閱讀
      隨著5G的到來 高通將推出下一代5G調制解調器和新型毫米波天線

      麻省理工發明了一種新設備 可將WiFi信號轉換為可為設備供電的電力

      麻省理工學院28日發文稱,他們發明了一種新的2D材料,使用這種材料制造的新設備,可將WiFi信號轉換....
      發表于 02-19 14:09 ? 372次 閱讀
      麻省理工發明了一種新設備 可將WiFi信號轉換為可為設備供電的電力

      泰克推出AWG70000B,可以更準確地仿真瞬息萬變的現實世界信號

      波形內存翻了一番,采用全新流式波形ID,支持電子戰爭、無線通信、高級研究等應用。
      的頭像 人間煙火123 發表于 02-19 12:19 ? 1262次 閱讀
      泰克推出AWG70000B,可以更準確地仿真瞬息萬變的現實世界信號

      Vicor發布最新DCM ChiP模塊的DC-DC轉換器

       最新 DCM 廣泛應用于需要更嚴格輸出穩壓的國防和工業應用。這些應用包括無人機、地面車輛、雷達、交....
      的頭像 人間煙火123 發表于 02-18 13:37 ? 284次 閱讀
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      上海快3开奖走势图
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