GaN技術和潛在的EMI影響

　　1月出席DesignCon 2015時，我有機會聽到一個由Efficient Power Conversion 公司CEO Alex Lidow主講的有趣專題演講，談到以氮化鎵(GaN)技術進行高功率開關組件(Switching Device)的研發。我也有幸遇到“電源完整性 --在電子系統測量、優化和故障排除電源相關參數(Power Integrity - Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems)”一書的作者Steve Sandler，他提出與測量這些設備的皮秒邊沿(Picosecond Edge)速度相關聯(可參看他文章索引的部分)。

　　由于這些新電源開關的快速開關速度與相關更高效率，因此我們希望看到他們能適用于開關模式電源和射頻(RF)功率放大器。他們可廣泛取代現有的金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)， 且具有較低的“On”電阻、更小的寄生電容、更小的尺寸與更快的速度。我已注意到采用這些裝置的新產品，其他應用包括電信直流對直流(DC-DC)、無線 電源(Wireless Power)、激光雷達(LiDAR)和D型音頻(Class D Audio)。很顯然，任何半導體組件在幾皮秒內切換，很可能會產生大量的電磁干擾(EMI)。為了評估這些GaN組件，Sandler安排我來測試一些評估板。一塊我選擇測試的是Efficient Power Conversion的半橋(Half-bridge )1MHz DC-DC降壓轉換器EPC9101(圖1)，請參考這塊測試板上的其他信息，以及一些其他的參考部分。

　　圖1該演示板用于顯示GaN的EMI。該GaN組件被圈定，我會在L1左側測量切換的波形。

　　該演示板利用8至19伏特(V)電流，并將其轉換為1.2伏20安培(A)(圖2)，我讓它運行在與10奧姆、2瓦(W)負載、10伏特電壓狀態。

　　圖2 半橋DC-DC轉換器的電路圖，波形在L1的左端返回處被測試。

　　我試圖用一個羅德史瓦茲(R&S)RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭捕獲邊緣速率(圖3)，并探測L1的切換結束，不過現有測試設備的帶寬限制，以至于無法忠實捕捉。我能擷取到最好的(圖4)是一個1.5 納秒上升時間(其中，以EMI的角度來看，是相當快的開始!) 為準確地記錄典型的300~500皮秒邊緣速度將需要30 GHz帶寬，或更高的示波器。

　　圖3 采用R&S RTE1104示波器和RT-ZS20 1.5 GHz的單端探頭測量前緣。

　　圖4 捕獲的上升時間顯示為217MHz，其顯示最快邊緣速度為1.5納秒，但事實上，是在帶寬限制下測量。