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GaN功率开关及其对EMI的影响探究

出处:EDN 发布于:2015-07-14 17:32:09 | 2739 次阅读

  1月出席DesignCon 2015时,我有机会听到一个由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex  Lidow主讲的有趣专题演讲,谈到以氮化镓(GaN)技术进行高功率开关组件(Switching Device)的研发。我也有幸遇到“电源完整性  --在电子系统测量、优化和故障排除电源相关参数(Power Integrity - Measuring, Optimizing, and  Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems)”一书的作者Steve  Sandler,他提出与测量这些设备的皮秒边沿(Picosecond Edge)速度相关联(可参看他文章索引的部分)。

  由于这些新电源开关的快速开关速度与相关更高效率,因此我们希望看到他们能适用于开关模式电源和射频(RF)功率放大器。他们可广泛取代现有的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET),且具有较低的“On”电阻、更小的寄生电容、更小的尺寸与更快的速度。我已注意到采用这些装置的新产品,其他应用包括电信直流对直流(DC-DC)、无线电源(Wireless  Power)、激光雷达(LiDAR)和D型音频(Class D  Audio)。很显然,任何半导体组件在几皮秒内切换,很可能会产生大量的电磁干扰(EMI)。

  为了评估这些GaN组件,Sandler安排我来测试一些评估板。一块我选择测试的是Efficient  Power Conversion的半桥(Half-bridge )1MHz  DC-DC降压转换器EPC9101(图1),请参考这块测试板上的其他信息,以及一些其他的参考部分。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图1 该演示板用于显示GaN的EMI。该GaN组件被圈定,我会在L1左侧测量切换的波形。

  该演示板利用8至19伏特(V)电流,并将其转换为1.2伏20安培(A)(图2),我让它运行在与10奥姆、2瓦(W)负载、10伏特电压状态。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图2 半桥DC-DC转换器的电路图,波形在L1的左端返回处被测试

  我试图用一个罗德史瓦兹(R&S)RT-ZS20 1.5  GHz的单端探头捕获边缘速率(图3),并探测L1的切换结束,不过现有测试设备的带宽限制,以至于无法忠实捕捉。我能撷取到最好的(图4)是一个1.5纳秒上升时间(其中,以EMI的角度来看,是相当快的开始!)  为准确地记录典型的300~500皮秒边缘速度将需要30 GHz带宽,或更高的示波器。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的单端探头测量前缘

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图4 捕获的上升时间显示为217MHz,其显示最快边缘速度为1.5纳秒

但事实上,是在带宽限制下测量

  EMI的发生

  虽然没能捕捉到实际的上升时间,我在217MHz频率做了评估提醒铃声。正如你稍后将看到的,当我们开始在频域寻找时,该谐振在带宽中产生EMI,并导致一个峰值。无论是信号接脚和接地回路连接到R&S  RT-ZS20探头,路径都非常短,所以提醒铃声并不是由探针造成,而是电路的寄生共振。

  接下来,我量测在电源输入电缆传导的EMI,且透过负载电阻显示EMI传导特征(图5)。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图5 用Fischer F-33-1电流探头进行高频电流的测试

  图6显示,整个9k~30MHz的传导发射频段有非常高的1MHz谐波,且都发生在大约9MHz的间隔谐波上,且有些我还不确定其原生处。这些谐波在负载电阻电路上特别高,我怀疑若没有良好质量的线性滤波器,这EMI的数值可能会使传导辐射符合性的测试失败。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图6

  用Fischer F-33-1电流探头测量的电源输入缆线中的高频电流(紫线),以及10奥姆负载电阻(蓝线)。黄线是环境噪声位准,在约9  MHz的谐波顶部发生1 MHz的开关尖峰突出。从我的经验来看,蓝色线的位准令人担忧,且可能造成传导辐射测试的失败。

  然后将带宽从9KHz拓展到1GHz以便观察谐波可以到多远,然而才约600兆赫就开始渐行渐远。请参看图7。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图7

  用Fischer  F-33-1电流探头测量的电源输入缆线中的传导辐射(紫线),以及10奥姆负载电阻(蓝线),黄线是环境噪声测量。辐射所有的出现都在600MHz,须注意共鸣约在220MHz。

  最后,我用R&S RS H 400-1  H场(H-field)探针(图8)来量测GaN组件附近的近场和通过负载电阻器的高频电流(图9)。

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图8

使用R&S RS h400-1 H场探针测量接近GaN开关装置近场辐射

  GaN技术和潜在的EMI影响

  图9

  H场探针测试结果。黄线是环境噪声位准,紫线是GaN组件附近的测量,蓝线则是在10奥姆的负载电阻,辐射终于在约800MHz处逐渐减少。

  注意(除了所有宽带噪声位准,峰值出现在约220  MHz)振铃频率(标示1),以及在460MHz(标示2)的谐振。从过往的经验,我喜欢把谐波位准降到40dBuV显示行(Display  Line),也就是上面几张屏幕截图中的绿线。两个共振都相当接近,并因而导致“红旗”。

  GaN组件价值显著

  GaN功率开关的价值很明显,效率也比MOSFET来得好。虽然GaN技术已问世,但我只看到少部分数据谈论这些皮秒开关装置如何影响产品EMI的发生。底下我列出了一些参考,以及在使用GaN组件时,会“扫大家兴”的部分,但我相信有更多研究需要去完成EMI会发生的后果,至于EMI工程师与顾问在未来几年也将可望采用GaN组件。

  Efficient Power Conversion, Inc. (web site, GaN parts, and demo boards)

  Carlson and Hokenson, GaN Gives Power and Flexibility to L-Band Radar.

  EE Times, The 13-Step EMI Mitigation Program for Switching Power Supplies,  12/2013.

  McDonough, et al., Reduction of EMI Effects in Motor Drives and Complex  Power Electronic Systems, University of Texas.

  Mende and Stauffer, Take on GaN measurement challenges, EDN, 12/2012.

  Muttaqi and Haque, Electromagnetic Interference Generated from Fast  Switching Power Electronic Devices, University of Wollongong.

  Sandler, How to measure the world’s fastest power switch,  EDN.如何测量全球最快的功率开关

  Sandler, Power Integrity - Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power  Related Parameters in Electronic Systems, McGraw-Hill, 2014.

  TI, Layout Considerations for LMG5200 GaN Power Stage, 3/2015.

 

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