如何应对GaN测量挑战

使用示波器来表征GaN器件的行为，并测量开关过程中的损耗。当电压摆幅为600V或更高时，GaN器件要求快速仪器才能跟得上。示波器需要具有足够的带宽来跟踪开关过程，还需要具有足够高的分辨率来捕获低电压时的开关过程。

探针是限制因素之一。目前最好的高压差分探针提供约200MHz的带宽，测量信号电压高至1.5kV。一些单端高压探针可以提供800MHz的带宽，因此可以用来测量600V摆幅的信号。展望未来，可能需要kV测量范围和GHz以上带宽的探针,这样的探针目前还没有。

使用高压探针的另外一个挑战是确保探针之间有足够的绝缘和间隙，并且不影响测量性能。举例来说，长引线可能导致来自电路加载和振铃的感应现象，从而使得判断问题真正根源变得困难。测试设备制造商正在使用多种技术提高保真度，比如增加探针的阻尼电阻。

更高分辨率

高带宽和高电压通常是互相排斥的，因此为了测量600V的源极－漏极电压以及毫伏级的栅极电压，需要使用高分辨率的示波器。绝大多数示波器都是采用8位分辨率的ADC，但通过使用平均和高分辨率模式分辨率可以得到显著提高。

对于具有自然重复特性的信号来说，平均法提供了大幅度提高信号垂直分辨率的有效途径。这种以位数为测量单位的性能增强是总平均数的一个函数：

增强分辨率＝0.5 log2(N)

其中：N代表要求的总的平均数

在许多示波器中，平均算法是用定点数学方法实现的。这意味着最大平均数是10,000，因此将总的分辨率位数限制在了理想的最大值14.64，见表1。这种平均方法可以保持完整的信号模拟带宽。

表1：通过平均法得到的示波器垂直增强分辨率。

虽然对许多应用来说平均是一种很有用的技术，但这种方法不适合单次采集。此时的解决方案是使用积分平均技术计算和显示在每次采样间隔中所有连续采样值的平均值。这种模式为过采样有关波形的额外信息提供了一种折衷方法。在这种情况下，额外的水平采样信息被代之以更高的垂直分辨率以及带宽与噪声的减少。

带宽限制和使用这种平均技术得到的垂直分辨率提高幅度与仪器的最大采样率和当前所选采样率有关。表2显示了使用最大采样率为10GS/s的示波器能带来的性能提升。垂直分辨率的位数增加量为0.5 log2*(D)(其中：D是抽取比率，或最大采样率/实际采样率),

最终的-3dB带宽(除非受测量系统的模拟带宽进一步限制)是：0.44*SR(其中：SR代表实际采样率)。

表2：使用积分平均方法实现的垂直增强分辨率。

本文小结

随着对提高功效要求的持续推进，具有30年发展历史的硅MOSFET已经达到了实用性能极限。现在业界专家已经预见到替代产品的快速增长，最著名的要数GaN了，因为在硅基板上生长GaN的新制造工艺可以使用标准化的低成本CMOS工艺，这为GaN功率器件打开了一个广阔的新型商业与工业应用大门。

由于具有高带宽和高电压的有效组合，GaN在测试与测量前沿面临艰巨的挑战，特别是在示波器的高电压探针和高分辨率方面。目前可用的2.5kV和800MHz探针足够600V器件使用，而平均技术还可以用来提升分辨率。在GaN这个重要领域，与GaN有关的产品和技术必将得到持续发展和改进。