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        一種基于對(duì)稱PCB結(jié)構(gòu)的GaN器件高帶寬電流檢測(cè)方法

        2021-08-31 08:50:02楊,付強(qiáng)
        電工電能新技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量檢測(cè)

        梅 楊,付 強(qiáng)

        (北京市電力節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

        1 引言

        作為電力電子變換器核心之一的功率半導(dǎo)體器件,其每次更新?lián)Q代都會(huì)使變換器性能得到提升。第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件以氮化鎵(Gallium nitride,GaN)為代表,與傳統(tǒng)的Si器件相比更適合工作于高頻、高溫、高效率環(huán)境中,可以極大地減小變換器中磁性元件尺寸,提高功率密度[1-3]。

        由于快速GaN 器件所產(chǎn)生的du/dt和di/dt通常是硅器件和碳化硅器件的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,電壓電流的上升、下降時(shí)間更是低至數(shù)ns的量級(jí)。如何準(zhǔn)確、快速地獲得高頻工作下的GaN器件開關(guān)電流就變得相當(dāng)困難。此外,由于GaN器件具有極高的開關(guān)速度和較小的柵極電壓安全裕度,因此對(duì)寄生電感非常敏感[4]。而使用傳統(tǒng)的分流器測(cè)量裝置時(shí),引線部分會(huì)給主電路增加額外的寄生電感,寄生電感過大會(huì)嚴(yán)重影響開關(guān)過程,測(cè)量結(jié)果可能無法準(zhǔn)確反映開關(guān)特性。隨著技術(shù)的成熟,GaN器件的開關(guān)速度將變得越來越快,體積將變得越來越小,這對(duì)開關(guān)電流的測(cè)量提出了更大的挑戰(zhàn)。迄今為止,缺少一種有效的方法來測(cè)量快速GaN器件的開關(guān)電流[5-7]。

        本文提出了一種基于對(duì)稱印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)結(jié)構(gòu)的GaN器件高帶寬電流檢測(cè)方法。此方法利用分流器原理獲得器件電流,不同于文獻(xiàn)[8]直接利用同軸分流器測(cè)量電流,而是利用磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)出的低寄生電感的電流測(cè)量方法測(cè)量電流。所提出的方法由于其尺寸小和寄生參數(shù)小而具有高帶寬,保證了對(duì)主電路的影響較小,并可獲得較為平穩(wěn)的開關(guān)電流。依照所提方法搭建了一套基于GaN器件的雙脈沖測(cè)試電路,與商用同軸分流器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提電流檢測(cè)方法的有效性。

        2 現(xiàn)有的電流檢測(cè)方法

        目前常見的功率半導(dǎo)體電流檢測(cè)方法有三種:羅氏線圈、有源電流互感器和電流分流器。本節(jié)總結(jié)了它們?cè)陔娏鳈z測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)和局限性。

        羅氏線圈[9,10]利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量功率半導(dǎo)體器件電流。它主要由一個(gè)拾波線圈和一個(gè)積分器組成。線圈具有圓形螺旋結(jié)構(gòu),具有良好的抗外部磁干擾能力。羅氏線圈的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不存在飽和問題,因此可以測(cè)量非常大的電流。這種方法的缺點(diǎn)在于被測(cè)導(dǎo)體和線圈之間的互感很小,需要提高線圈匝數(shù)來提高靈敏度,這會(huì)導(dǎo)致線圈電感和寄生電容較大,從而限制帶寬。

        有源電流互感器通過直接測(cè)量磁場(chǎng),再利用電與磁之間的關(guān)系推算電流[11,12]。這種方法不用設(shè)計(jì)額外的測(cè)量電路。但是直接測(cè)量磁場(chǎng)抗擾性差,帶寬受限,在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中很難應(yīng)用。另外,插入阻抗隨頻率的增加而增加,過大的插入阻抗會(huì)影響被測(cè)電路的正常工作。

        電流分流器[13]利用分流電阻將采樣電壓信號(hào)等比轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。同軸分流器便是利用分流器方法測(cè)量電流的典型。其內(nèi)部使用高電阻率和非常細(xì)的導(dǎo)體來減輕鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng),因此電阻在非常高的頻率下幾乎保持不變。另一方面,同軸結(jié)構(gòu)在薄導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生沒有磁場(chǎng)的空間,因此,如果從細(xì)導(dǎo)體內(nèi)部獲取電壓信號(hào),則可以有效地減小電阻器的等效串聯(lián)電感。所以,同軸分流器具有非常高的帶寬,被廣泛用于測(cè)量開關(guān)電源的電流。但是,商用同軸電流分流器的尺寸較大,如圖1所示,并且會(huì)在電路中引入額外的寄生電感,這對(duì)于快速GaN器件是不可接受的。

        圖1 同軸分流器與GaN尺寸對(duì)比圖Fig.1 Coaxial shunt and GaN size comparison chart

        上述三種方式中,利用羅氏線圈和有源電流互感器方法測(cè)量帶寬太低,無法滿足快速GaN器件的要求。同軸分流器具有最高帶寬,因此在開關(guān)電流測(cè)量中使用最廣泛,但是在應(yīng)用此方法時(shí)必須要考慮寄生電感的問題。

        3 適用于GaN器件的高帶寬電流檢測(cè)方法

        雙脈沖測(cè)試[14]是廣泛應(yīng)用于MOSFET和IGBT等功率開關(guān)元件特性評(píng)估的一種測(cè)試方法。傳統(tǒng)的雙脈沖測(cè)試電路如圖2所示。用高壓隔離探頭測(cè)量漏-源級(jí)電壓UDS及柵-源級(jí)電壓UGS的電壓大小,用羅氏線圈測(cè)量源極電流IS的大小。

        圖2 雙脈沖測(cè)試電路Fig.2 Double pulse test circuit

        由于在傳統(tǒng)的雙脈沖測(cè)試中需要用羅氏線圈來測(cè)量開關(guān)器件的電流,本文考慮到羅氏線圈的引入會(huì)對(duì)主電路造成額外的電感及寄生電容,從而限制帶寬,無法滿足快速GaN器件的要求。提出一種新穎的適用于GaN器件的高帶寬電流檢測(cè)方法,改進(jìn)的雙脈沖測(cè)試電路如圖3所示,僅需要在傳統(tǒng)的雙脈沖測(cè)試電路中串聯(lián)采樣電阻。

        圖3 改進(jìn)的雙脈沖測(cè)試電路Fig.3 Improved double pulse test circuit

        改進(jìn)的雙脈沖測(cè)試電路工作原理如下:Q1可以關(guān)斷也可以施加與Q2互補(bǔ)的開關(guān)信號(hào)。Q2是被測(cè)設(shè)備。在開關(guān)過程中,電感電流IL幾乎保持恒定,可以等效于恒定電流源。漏極電流ID流經(jīng)包含輸入電容器、上部器件Q1和下部器件Q2的電流回路。只需通過低壓高帶寬電壓探頭測(cè)量串聯(lián)采樣電阻的電壓即可通過計(jì)算獲得待測(cè)GaN器件上的源極電流IS。

        對(duì)于一個(gè)理想的電阻來說歐姆定律在任意頻率下均成立,然而實(shí)際存在的電阻器卻并非理想電阻,它們不可避免地存在寄生電感和寄生電容。一般來說,尺寸較小的貼片金屬膜電阻體本身的寄生電容非常小,由RC時(shí)間常數(shù)的公式τ=RC可知,在R和C都非常小的情況下,寄生電容帶來的影響可以忽略。相對(duì)地,根據(jù)電感和電阻的時(shí)間常數(shù)τ=L/R可以得到,對(duì)于阻值較小的電阻來說,寄生電感[15,16]帶來的影響比較大。

        就一個(gè)尺寸確定的電阻而言,降低其自身的電感是非常困難的,因此,擬借鑒同軸分流器的結(jié)構(gòu)和原理,通過利用電流路徑的互感關(guān)系抵消寄生電感上的電壓,使得檢測(cè)電路收到的電壓幅值幾乎全部是由電阻分量產(chǎn)生的,從而實(shí)現(xiàn)降低檢測(cè)電阻的寄生電感的目的。

        如圖4(a)所示的采樣環(huán)節(jié)等效電路模型,該電路的輸出電壓uo滿足以下關(guān)系:

        (1)

        式中,L2為寄生電感;M為線路互感;RS為采樣電阻。

        圖4 采樣環(huán)節(jié)等效電路模型Fig.4 Sampling link equivalent circuit model

        此結(jié)構(gòu)基本保證了寄生電感L1、L2和它們之間的互感M之間滿足:

        L1=L2=M

        (2)

        將式(2)代入式(1)可得到:

        uo=RSii

        (3)

        即可證明所設(shè)計(jì)的采樣環(huán)節(jié)輸出電壓只與測(cè)量電阻的阻值有關(guān),其寄生電感得到了抵消。但是考慮到所設(shè)計(jì)的采樣電路引線部分仍具有較高的寄生電感Lext,為了避免其對(duì)主電路產(chǎn)生影響,也需要將引線部分的寄生電感Lext進(jìn)行消除。采樣環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化等效電路如圖4(b)所示。

        上述討論了擬用的采樣電路,并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析后可以知道,所設(shè)計(jì)采樣電路利用磁感應(yīng)原理將寄生電感抵消,但是在實(shí)際電路中由于引線部分仍具有較高的寄生電感Lext,會(huì)對(duì)主電路造成影響,考慮到快速GaN器件對(duì)寄生電感非常敏感的特性,為了獲得更為準(zhǔn)確的開關(guān)電流,提出一種基于對(duì)稱PCB結(jié)構(gòu)的GaN器件高帶寬電流檢測(cè)方法,具體實(shí)現(xiàn)如下:

        常規(guī)四層PCB電路板結(jié)構(gòu)圖如圖5所示,頂層和第一內(nèi)層、底層和第二內(nèi)層的間距非常小,利用四層板的層疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí),選擇電阻體位于底面的貼片電阻,保證貼片電阻的電阻體和PCB緊貼。

        圖5 常規(guī)四層PCB結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Conventional four-layer PCB structure diagram

        為了盡可能減小回路的寄生電感,需要電流盡可能對(duì)稱分布,因此需要將貼片采樣電阻分別置于PCB的頂層和底層,采樣電阻的擺放位置的剖面圖如圖6所示。

        圖6 低寄生電感布局設(shè)計(jì)Fig.6 Low parasitic inductance layout design

        圖6中,采樣電阻分別安裝在PCB的正面和反面,器件的動(dòng)態(tài)電流沿頂層和底層經(jīng)過采樣電阻流到左側(cè),經(jīng)過過孔從內(nèi)電層返回,由于在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電流總和為零,該區(qū)域內(nèi)的總的磁通變化量并不會(huì)體現(xiàn)在PCB的外部,從而保證了該部分整體對(duì)外幾乎呈現(xiàn)純電阻的特性,達(dá)到了低寄生電感的目的。

        4 基于GaN器件的雙脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)試

        為了驗(yàn)證所提電流檢測(cè)方法的有效性,基于GaN Systems公司的GS66508B搭建了所設(shè)計(jì)的雙脈沖測(cè)試電路,測(cè)試電路拓?fù)淙鐖D3所示。實(shí)驗(yàn)條件見表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions

        通過對(duì)電路中的開關(guān)器件施加相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)來檢測(cè)Q2的開關(guān)電流。分別使用以下方案進(jìn)行GaN器件的源極電流測(cè)試:

        (1)方案一:利用CSD01同軸分流器進(jìn)行電流檢測(cè)。

        (2)方案二:傳統(tǒng)串入電阻檢測(cè)方法,即使用普通貼片采樣電阻,未按照低寄生電感的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        (3)方案三:利用本文所提出的基于對(duì)稱PCB結(jié)構(gòu)的高帶寬GaN器件電流檢測(cè)方法。

        另外,本文為了盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量得到采樣電阻上的電壓,保證測(cè)量信號(hào)的有效帶寬,在示波器采集電壓信號(hào)的環(huán)節(jié)沒有設(shè)置任何信號(hào)隔離措施。但是,為了安全起見,在所設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)方法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,對(duì)所有電源和控制信號(hào)均做了隔離。

        為了體現(xiàn)出傳統(tǒng)方法的引線部分寄生電感的影響,選擇器件關(guān)斷時(shí)的波形進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

        圖7 三種電流檢測(cè)方案測(cè)試圖Fig.7 Test chart of three current detection schemes

        對(duì)實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)比分析結(jié)果見表2。如圖7(a)所示,采用方案一,利用同軸分流器檢測(cè)器件關(guān)斷過程電流,其電流下降時(shí)間為5 ns,電流在此過程中下降了大約20 A。母線電壓過沖為80 V。計(jì)算可得電流變化率為4 A/ns,寄生電感大小為20 nH。如圖7(b)所示,采用方案二,利用傳統(tǒng)的串入電阻方法檢測(cè)電流,顯然電流振蕩幅度大,已超過目前顯示的量程,寄生電感遠(yuǎn)大于方案一。如圖7(c)所示,采用方案三,利用本文提出的基于對(duì)稱PCB結(jié)構(gòu)的高帶寬GaN器件電流檢測(cè)方法檢測(cè)器件電流,從電流實(shí)驗(yàn)波形可以計(jì)算得到回路寄生電感約為5 nH。根據(jù)雙脈沖測(cè)試的基本原理,如果檢測(cè)方案中引入的回路寄生電感越小,則測(cè)量準(zhǔn)確度越高。因此,采用本文所提出的方案三,其測(cè)量準(zhǔn)確度明顯高于方案一和方案二。

        表2 不同方案對(duì)比分析結(jié)果Tab.2 Comparative analysis results of different schemes

        由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,使用同軸分流器測(cè)量開關(guān)電流雖然電流測(cè)試精度較高,帶寬較高,但是給主電路帶來了很大的回路電感,對(duì)主電路負(fù)面影響較大。其中,使用同軸分流器做電流采樣時(shí)的主電路寄生電感值約20 nH;使用傳統(tǒng)串入電阻檢測(cè)方法的電流波形振蕩非常大,測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確,這里不再對(duì)其寄生電感進(jìn)行計(jì)算。而使用本文所提的電流檢測(cè)方法測(cè)得寄生電感值約5 nH,對(duì)主電路負(fù)面影響較小。由此可以證明使用經(jīng)過本文所提出的電流檢測(cè)方案對(duì)主電路的影響明顯小于使用同軸分流器的方案,并且測(cè)試電流振蕩較小,較為準(zhǔn)確。

        5 結(jié)論

        本文提出了一種基于對(duì)稱PCB結(jié)構(gòu)的GaN器件高帶寬電流檢測(cè)方法。利用電流分流器原理檢測(cè)GaN器件電流,基于磁感應(yīng)原理對(duì)PCB進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),通過控制電流在PCB上的流通路徑,使分流電阻的寄生電感部分被抵消,并配合適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和前置放大器,實(shí)現(xiàn)了在寬頻帶測(cè)量范圍內(nèi)具有平整的幅頻特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:

        (1)本文所提方法顯著降低了電流檢測(cè)回路的寄生電感大小,從而保證了在高頻工作條件下GaN器件電流檢測(cè)的快速性和準(zhǔn)確性。

        (2)通過與商用分流器的比較證明,基于本文方法的檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)緊湊,易于實(shí)現(xiàn),適用于各類GaN電力電子變換器,具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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