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(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響開關(guān)過(guò)程，測(cè)量結(jié)果可能無(wú)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(lái)越快，體積將變得越來(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(wèn)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)說(shuō)，寄生電感[15,16]帶來(lái)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(guò)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(guò)采樣電阻流到左側(cè)，經(jīng)過(guò)過(guò)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(guò)對(duì)電路中的開關(guān)器件施加相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)來(lái)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(guò)程電流，其電流下降時(shí)間為5 ns，電流在此過(guò)程中下降了大約20 A。母線電壓過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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。