В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые изделия на основе нитрида галлия GaN, отличающиеся от кремниевых изделий большими скоростями переключения и эффективностью. Активное участие в продвижении GaN-технологий принимает компания EPC, разработавшая и реализовавшая на практике технологию еGaN (enhanced GaN), улучшающую и без того хорошие характеристики силовых GaN-транзисторов.
Любой полупроводниковый прибор, переключающийся со скоростями порядка пикосекунд, генерирует электромагнитные помехи. GaN и еGaN-транзисторы, работающие на более высоких, по сравнению с традиционными MOSFET, скоростях – не исключение. Независимый консультант и специалист по электромагнитной совместимости Кеннет Уайят (Kenneth Wyath) задался целью исследовать новые транзисторы на предмет электромагнитных помех.
Для исследования была выбрана плата полумостового понижающего DC-DC преобразователя EPC9101 (рис.1, 2).
Рис.1. Плата EPC9101
Рис.2. Блок-схема преобразователя EPC9101. Сигнал снимался с левого вывода L1
Диапазон входных напряжений этой платы – от 8 до 19 В, выходное напряжение – 1,2 В с током до 20 А. Кеннет подавал на вход платы 10 В, выход преобразователя нагружался двухваттным резистором сопротивлением 10 Ом. Для измерения длительности фронта импульсов использовался осциллограф Rohde & Schwarz RTE1104 и 1,5-ГГц пробник RT-ZS20 (рис. 3). Лучший результат, который удалось получить с его помощью, – время нарастания импульса 1,5 нс. Недостаточно широкая полоса используемого осциллографа не позволила получить более точные значения – для измерения величин порядка сотен пикосекунд требуется полоса шириной не менее 30 ГГц.
Рис.3. Измерение фронта сигнала осциллографом Rohde & Schwarz RTE1104
Не имея возможности точно померить длительность фронта, Кеннет решил проанализировать переходные процессы на частоте 217 МГц (рис. 4).
Кабели щупа и заземления были небольшой длины и не могли вносить существенный вклад в анализируемые переходные процессы. Следовательно, полученная картина была результатом паразитных резонансов в цепи преобразователя. При определённых условиях эти резонансы могут стать серьёзной проблемой электромагнитной совместимости.
Рис. 4. Переходный процесс с частотой 217 МГц.
Кеннет измерил кондуктивные помехи во входной сети питания и на нагрузочном резисторе преобразователя (рис. 5)
Рис. 5. Измерение кондуктивных высокочастотных помех с помощью токового зонда Fischer F-33-1.
Были обнаружены мощные мегагерцовые гармоники в диапазонах от 9 кГц до 30 МГц, а также 9-мегагерцовые гармоники, хорошо заметные в нагрузочном резисторе. Их происхождение установить не удалось, тем не менее общий уровень помех был неприемлемо высок для обеспечения электромагнитной совместимости.
Рис. 6. Высокочастотные токи в кабеле питания (фиолетовый график) и 10-омном нагрузочном резисторе (голубой график). Заметны мегагерцовые пики, накладывающиеся на 9-МГц гармоники. Здесь и далее жёлтый график показывает спектр фоновых помех.
Расширив полосу прибора до 1 ГГц, Кеннет увидел, что затухание гармоник началось с частоты около 600 МГц (рис.7).
Рис.7. Широкополосная картина гармоник излучения
В заключение Кеннет измерил уровень излучения вблизи силового ключа и высокочастотные токи, протекающие через нагрузочный резистор, с помощью датчика магнитного поля Rhode & Schwarz RS H 400-1 (рис.8, 9). Были обнаружены резонансные пики на частотах 220и 460 мГц с уровнем почти 40 дБмкВ – критическое значение для ЭМИ.
Рис.8. Измерение излучения в окрестностях силового ключа
Рис.9. Спектрограммы излучения в окрестностях силового ключа (фиолетовый график) и тока через нагрузочный резистор (голубой график).
Результаты исследования показали, что с точки зрения электромагнитной совместимости новые высокочастотные GaN-устройства отличаются от традиционных кремниевых MOSFET. Благодаря меньшей по сравнению с кремниевыми устройствами ёмкости затвора, общая энергия шума GaN-ключей ниже. Высокочастотные резонансы переходных процессов, обусловленные индуктивностью выводов, могут быть значительно снижены применением интегрированных транзисторных сборок, таких, как, например, EPC9059 (рис.10).
Рис.10. Сравнение переходных процессов в цепях с кремниевыми FET, eGaN-устройством и интегрированной сборкой EPC9059
