GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻精確測(cè)試與影響因素分析

趙方瑋 李 艷 魏 超 張 楠 鄭妍璇

GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻精確測(cè)試與影響因素分析

趙方瑋 李 艷 魏 超 張 楠 鄭妍璇

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044）

GaN器件較傳統(tǒng)Si器件具有耐高壓、耐高溫、導(dǎo)通電阻小和開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)勢(shì)，但其特有的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要問(wèn)題。該文基于動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響機(jī)理分析，首先提出一種GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法；然后測(cè)試了三款同電壓/電流等級(jí)、不同結(jié)構(gòu)GaN器件在各影響因素下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，分析影響因素占比及動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律，與機(jī)理分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；最后從器件應(yīng)用角度給出動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。該文提出的測(cè)試平臺(tái)測(cè)試變量基本涵蓋實(shí)際應(yīng)用中的全部動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素。實(shí)驗(yàn)表明，不同結(jié)構(gòu)GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性不同，且占主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素不同。從應(yīng)用層面優(yōu)化動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，可有效降低通態(tài)損耗。

GaN器件 電流崩塌效應(yīng) 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻 精確測(cè)試 優(yōu)化應(yīng)用方法

0 引言

相較于傳統(tǒng)硅（Silicon, Si）器件，氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）功率半導(dǎo)體器件因其材料特性可工作于更高的電壓應(yīng)力、更快的開(kāi)關(guān)頻率，具有更大的溫度容限，更適用于高頻、高功率密度的應(yīng)用場(chǎng)合[1-2]。然而，其在實(shí)際應(yīng)用中也存在一系列的可靠性問(wèn)題和挑戰(zhàn)[3-5]，其中以電流崩塌效應(yīng)最為顯著、影響最大。該效應(yīng)在器件具體參數(shù)上表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻[6-7]。

GaN器件在關(guān)斷狀態(tài)承受漏源極高電壓，當(dāng)切換到開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)通電阻暫時(shí)增加、最大漏極電流減小[8-9]；在不同條件下，導(dǎo)通電阻呈現(xiàn)出一定規(guī)律的動(dòng)態(tài)變化。該現(xiàn)象即為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)（Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC）提出的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其給出定義：由于GaN器件在應(yīng)用期間會(huì)遇到各種應(yīng)力條件，一些電荷可能會(huì)被困在晶體管結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域中，在開(kāi)關(guān)環(huán)境中動(dòng)作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加[10]。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，從而降低系統(tǒng)的整體效率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的存在不僅使得GaN器件的通態(tài)損耗無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和計(jì)算，還會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和工作壽命產(chǎn)生影響。

已有文獻(xiàn)從器件本體層面研究動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機(jī)理。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)增強(qiáng)型GaN器件的柵極和漏極分別施加脈沖，測(cè)試器件在不同高壓開(kāi)關(guān)條件下出現(xiàn)的電流崩塌效應(yīng)程度，得出柵極和漏極誘導(dǎo)的表面陷阱捕獲是引起電流崩塌效應(yīng)的主要原因。文獻(xiàn)[12]研究溫度、電場(chǎng)、熱電子或其組合對(duì)電流崩塌的影響程度，通過(guò)觀察電致發(fā)光信號(hào)的強(qiáng)弱，發(fā)現(xiàn)柵極與漏極之間的存儲(chǔ)區(qū)中熱電子引起的電子捕獲是造成電流崩塌的主要原因。文獻(xiàn)[13]對(duì)比測(cè)試了柵極注入晶體管和混合漏極嵌入柵極注入晶體管在斷態(tài)和半開(kāi)通態(tài)條件下電致發(fā)光信號(hào)的強(qiáng)弱，得出熱電子在電荷捕獲中起主要作用，且電流崩塌的改善主要取決于電荷去捕獲率而不是熱電子捕獲率。器件本體層面的研究解釋了動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，但難以對(duì)器件使用者產(chǎn)生實(shí)際的參考意義。

從GaN器件在實(shí)際電力電子變換器中應(yīng)用的角度，已有文獻(xiàn)通過(guò)搭建優(yōu)化后的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試GaN器件在不同工作條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值，對(duì)其影響因素進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[14]提出的測(cè)試平臺(tái)可通過(guò)調(diào)整電路節(jié)點(diǎn)連接方式而實(shí)現(xiàn)軟/硬開(kāi)關(guān)條件切換。文獻(xiàn)[15]在傳統(tǒng)的雙脈沖測(cè)試（Double-Pulse Test, DPT）電路中增加了開(kāi)關(guān)器件和二極管，通過(guò)改變控制策略，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流可控的DPT電路模式和多脈沖測(cè)試（Multiple-Pulse Test, MPT）模式。可測(cè)試的影響因素包括電壓應(yīng)力、頻率和占空比。文獻(xiàn)[16]對(duì)傳統(tǒng)DPT電路進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)熱電阻控制溫度，進(jìn)而研究溫度對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中的測(cè)試平臺(tái)可提供的測(cè)試變量有限，難以涵蓋實(shí)際應(yīng)用中的全部動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素，各有側(cè)重但不全面。

測(cè)試結(jié)果方面，文獻(xiàn)[17]在DPT測(cè)試平臺(tái)和MPT測(cè)試平臺(tái)以及實(shí)際變換器中分別測(cè)試了三款不同廠商生產(chǎn)的600V電壓等級(jí)的GaN器件：GS66516T（GaN Systems）、PGA26C09DV（Panasonic）及TPH3206PS（Transphorm），得出其動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻與斷態(tài)電壓應(yīng)力大小、斷態(tài)電壓應(yīng)力時(shí)間、溫度的定性關(guān)系。文獻(xiàn)[14]分別在DPT和MPT平臺(tái)測(cè)試了Infineon公司的Si MOSFET與GaN Systems公司、Panasonic公司的單體增強(qiáng)型GaN器件在軟/硬開(kāi)關(guān)條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，得出開(kāi)關(guān)條件對(duì)不同GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性的影響不同。文獻(xiàn)[15]未詳細(xì)給出被測(cè)器件（Devices Under Test, DUT）的型號(hào)和結(jié)構(gòu)特征，測(cè)得增強(qiáng)型GaN器件在硬開(kāi)關(guān)條件下動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的表現(xiàn)優(yōu)于軟開(kāi)關(guān)條件，與文獻(xiàn)[14]結(jié)論相反。綜上，GaN器件結(jié)構(gòu)差異及各影響因素造成的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

本文將從GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機(jī)理分析出發(fā)，確定對(duì)該參數(shù)漂移具有主要貢獻(xiàn)作用的影響因素，在此基礎(chǔ)上提出了一種涵蓋所有動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素的綜合測(cè)試電路及測(cè)試方法?；谠摐y(cè)試平臺(tái)，選取不同結(jié)構(gòu)GaN器件，在除溫度外的各影響因素下進(jìn)行動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻精確測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果，并從應(yīng)用角度給出抑制動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移、降低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻造成額外損耗的優(yōu)化方法。

1 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機(jī)理及影響因素

根據(jù)形成增強(qiáng)型的方法不同，GaN器件可分為兩大類(lèi)：?jiǎn)误w增強(qiáng)（Enhancemend-mode, E-mode）型和級(jí)聯(lián)（Cascode）型。其中，E-mode型器件又包括兩種結(jié)構(gòu)：普通P-GaN蓋帽層結(jié)構(gòu)（后文簡(jiǎn)稱(chēng)普通E-mode）和改進(jìn)型P-GaN蓋帽層結(jié)構(gòu)（后文簡(jiǎn)稱(chēng)改進(jìn)E-mode），其結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1所示。不同結(jié)構(gòu)GaN器件均存在不同程度的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象。其中，E-mode型器件尤其是普通E-mode型器件較Cascode型器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象更明顯。因此，本節(jié)基于普通E-mode型GaN器件分析動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理及影響因素。

圖1 E-mode型GaN器件結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1a所示，普通E-mode型GaN器件采用Si或碳化硅（Silicon Carbide, SiC）材料作為襯底；在襯底上方生長(zhǎng)過(guò)渡層，主要用于減小GaN生長(zhǎng)時(shí)不同材料間的應(yīng)力差；過(guò)渡層上方為GaN層，用于生長(zhǎng)Al GaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。GaN器件利用Al GaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處形成的二維電子氣（Two Dimensional Electron Gas, 2DEG）構(gòu)成導(dǎo)電溝道，這與Si MOSFET通過(guò)PN結(jié)形成導(dǎo)電溝道的方式完全不同[18]。結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理的差異導(dǎo)致動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象在GaN器件中尤為明顯，而Si器件的導(dǎo)通電阻在相同溫度下基本不變。

普通E-mode型GaN器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象發(fā)生與器件內(nèi)溝道和不同層之間出現(xiàn)的電荷捕獲及去捕獲有關(guān)：器件斷態(tài)時(shí)，電子被捕獲至溝道外；器件導(dǎo)通后，被捕獲的電子無(wú)法完全回到溝道內(nèi)參與導(dǎo)電過(guò)程。電荷捕獲與去捕獲存在兩種發(fā)生機(jī)理。普通E-mode型器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理如圖2所示。

圖2 普通E-mode型器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理

如圖2中機(jī)理一所示。普通E-mode型GaN器件處于斷態(tài)時(shí)，其漏極與源極、柵極間承受較高電壓，大量電子被注入到緩沖層并被緩沖層中的空穴所捕獲。斷態(tài)電壓應(yīng)力越大，斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，被捕獲電子數(shù)量越多，而器件開(kāi)通后無(wú)法提供更多的能量將被捕獲的電子去捕獲到溝道內(nèi)，從而加劇動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象。同時(shí)，器件通態(tài)時(shí)的漏極電流大小同樣影響動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻。漏極電流越大，需要參加導(dǎo)電的電子數(shù)量越多，受動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的影響就越??；反之，漏極電流越小，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象在器件上就表現(xiàn)得越明顯。因此，斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間及漏極電流（或稱(chēng)為負(fù)載電流）是動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的三個(gè)影響因素。

如圖2中機(jī)理二所示。普通E-mode型GaN器件在硬開(kāi)關(guān)動(dòng)作期間，漏源極同時(shí)承受高電壓應(yīng)力和大電流，2DEG中大量熱電子向外運(yùn)動(dòng)，被注入到柵極與漏極表面附近以及緩沖層中，并被這些區(qū)域中的空穴捕獲；相反，在軟開(kāi)關(guān)動(dòng)作期間，由于此時(shí)漏源極并不同時(shí)存在高電壓和大電流，無(wú)法提供足夠的電場(chǎng)能量加速大量熱電子向外運(yùn)動(dòng)并被捕獲，被捕獲的電子數(shù)量低于硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而維持溝道內(nèi)電子數(shù)量平衡所需的去捕獲能量也變小，不容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象。除軟/硬開(kāi)關(guān)條件外，當(dāng)器件高頻工作于實(shí)際變換器中時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率與占空比的變化可視為每個(gè)周期內(nèi)開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的變化，因此根據(jù)機(jī)理一，也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生影響。

綜合上述分析，影響GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的主要因素包括：斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間、負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)條件、開(kāi)關(guān)頻率和占空比。這些影響因素同時(shí)也作為下一步測(cè)試的自變量，用于研究動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻隨自變量變化的具體規(guī)律， 以及對(duì)比不同自變量對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的影響程度的差異。

2 測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法

動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素較多，傳統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)難以涵蓋所有影響因素測(cè)試。為解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)在同一測(cè)試平臺(tái)完成GaN器件在不同影響因素下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻精確測(cè)試，本文提出一種動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)及其測(cè)試方法。

2.1 綜合測(cè)試平臺(tái)

圖3為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)電路拓?fù)洹Ｔ撈脚_(tái)基于DPT平臺(tái)[19-20]與四管Buck-Boost（Four- Switch Buck-Boost, FSBB）電路改進(jìn)而成。Q1～Q4為待測(cè)器件安裝位置，in為直流電壓、為電感，L為負(fù)載安裝位置。1、2、3為預(yù)留接口，根據(jù)測(cè)試需求，可連接接口2與1或接口2與3，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路連接的方式為待測(cè)器件提供不同測(cè)試模式，進(jìn)而提供多樣化的組合測(cè)試條件。該平臺(tái)可提供的測(cè)試變量涵蓋上文所述的全部GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素。

圖3 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)電路拓?fù)?/p>

本文采用的鉗位電路拓?fù)淙鐖D4所示，該拓?fù)涫窃谖墨I(xiàn)[22]中提出的鉗位電路基礎(chǔ)上做了改進(jìn)和簡(jiǎn)化，在保證測(cè)試快速性和準(zhǔn)確性的前提下減少了所使用的元器件。圖中，VD為二極管；VDz為穩(wěn)壓二極管；為100W電阻；cc為附加直流電壓源。電壓探頭接于VDz兩端。鉗位電路的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：階段一，待測(cè)器件關(guān)斷時(shí)，VD也處于關(guān)斷狀態(tài)，電壓探頭測(cè)得的信號(hào)為VDz的穩(wěn)壓值；階段二，待測(cè)器件導(dǎo)通時(shí)，VD結(jié)電容放電完畢也處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)電壓探頭測(cè)得的信號(hào)為待測(cè)器件的導(dǎo)通電壓加上VD的正向壓降。VD選取低寄生電容的SiC肖特基二極管，保證鉗位電路測(cè)量時(shí)的快速性和準(zhǔn)確性。且通過(guò)設(shè)置電阻值，限制流過(guò)VD電流的大小，避免因?yàn)樽詿嵋饻囟壬仙?，?dǎo)致VD受溫度影響出現(xiàn)正向壓降的增大。

圖4 鉗位電路拓?fù)?/p>

2.2 測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用方法

2.2.1 DPT模式測(cè)試

DPT模式電路原理及驅(qū)動(dòng)脈沖示意圖如圖5所示。將接口1、2相連時(shí)，即為DPT測(cè)試模式，電路原理如圖5a所示。在該模式下可測(cè)試的影響因素包括斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間和負(fù)載電流。具體測(cè)試步驟及測(cè)試變量控制方法如下。

圖5 DPT模式電路原理及驅(qū)動(dòng)脈沖示意圖

與傳統(tǒng)的DPT測(cè)試原理類(lèi)似，以Q2為待測(cè)器件，給Q1、Q2施加如圖5b所示的驅(qū)動(dòng)脈沖，測(cè)量Q2在第二個(gè)脈沖開(kāi)通期間的電壓電流波形。通過(guò)改變母線(xiàn)電壓in來(lái)控制測(cè)試變量待測(cè)器件斷態(tài)電壓應(yīng)力。

0～1：給Q2施加第一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，Q2導(dǎo)通，電感充電。通過(guò)控制0～1時(shí)長(zhǎng)改變電感電流大小，進(jìn)而控制測(cè)試變量負(fù)載電流。

1～2：Q2關(guān)斷，給Q1施加驅(qū)動(dòng)脈沖，Q1導(dǎo)通，電感續(xù)流，此階段電感電流大小基本保持不變。通過(guò)控制1～2時(shí)長(zhǎng)而控制測(cè)試變量斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間。

2～3：給Q2施加第二個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，Q2導(dǎo)通，此階段為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試的關(guān)鍵階段。測(cè)量Q2導(dǎo)通期間通態(tài)電壓波形并計(jì)算平均值DS-ON、測(cè)量漏極電流D，計(jì)算求得動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值（dynamic on-Resistance, don）。

2.2.2 FSBB模式測(cè)試

將接口2、3相連時(shí)，即為FSBB測(cè)試模式，電路原理如圖6所示。以Q2和Q3為被測(cè)器件，L為阻性負(fù)載。在該模式下可測(cè)試的影響因素包括開(kāi)關(guān)頻率、占空比、開(kāi)關(guān)條件。其中，前兩項(xiàng)測(cè)試變量的控制通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)而實(shí)現(xiàn)，測(cè)試變量開(kāi)關(guān)條件則需通過(guò)改變控制策略而實(shí)現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)。以下以零電壓開(kāi)通為例，介紹實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的控制方法。

圖6 FSBB模式電路原理

圖7所示為FSBB測(cè)試模式下實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的控制策略及各階段等效電路。

圖7 FSBB模式軟開(kāi)關(guān)測(cè)試?yán)碚摬ㄐ渭半A段等效電路

0～1：Q1和Q3導(dǎo)通，該階段給電感充電，電感電流上升，1時(shí)刻Q3關(guān)斷。

1～2：該階段為Q3和Q4的死區(qū)時(shí)間，此時(shí)電感2與Q3和Q4漏源極兩端的寄生電容發(fā)生諧振，Q4兩端電容放電，Q3兩端電容充電，當(dāng)Q4兩端的電壓降至零時(shí)，Q4零電壓開(kāi)通。

2～3：Q1和Q4導(dǎo)通，該階段給負(fù)載供電，電感電流下降，3時(shí)刻Q1關(guān)斷。

3～4：該階段為Q1和Q2的死區(qū)時(shí)間，此時(shí)電感2與Q1和Q2漏源極兩端的寄生電容發(fā)生諧振，Q2兩端電容放電，Q1兩端電容充電，當(dāng)Q2兩端的電壓降至零時(shí)，Q2零電壓開(kāi)通。

4～5：Q2和Q4導(dǎo)通，該階段為電感給負(fù)載提供能量，電感電流下降，5時(shí)刻Q4關(guān)斷。

5～6：該階段為Q3和Q4的死區(qū)時(shí)間，此時(shí)電感2與Q3和Q4漏源極兩端的寄生電容發(fā)生諧振，Q3兩端電容放電，Q4兩端電容充電，當(dāng)Q3兩端的電壓降至零時(shí)，Q3零電壓開(kāi)通。

6～7：Q2和Q3導(dǎo)通，該階段電感電流基本不變，7時(shí)刻Q2關(guān)斷。

7～8：該階段為Q1和Q2的死區(qū)時(shí)間，此時(shí)電感2與Q1和Q2漏源極兩端的寄生電容發(fā)生諧振，Q1兩端電容放電，Q2兩端電容充電，當(dāng)Q1兩端的電壓降至零時(shí)，Q1零電壓開(kāi)通。

根據(jù)上述工作過(guò)程分析，被測(cè)器件在每個(gè)周期內(nèi)均實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。此外，基于該測(cè)試平臺(tái)，在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)條件下均可分別調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率和占空比，實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)關(guān)頻率、占空比條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試。

3 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試

基于上述測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法，選取三款600V/ 650V額定電壓、30A等級(jí)額定電流的GaN器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試。待測(cè)器件結(jié)構(gòu)分別為普通E-mode型、改進(jìn)E-mode型及Cascode型，具體參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)設(shè)置不同測(cè)試條件，精確測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，繪制以影響因素為自變量的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化曲線(xiàn)，分析不同結(jié)構(gòu)GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻隨影響因素的變化情況。

表1 被測(cè)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)導(dǎo)通電阻參數(shù)

Tab.1 DUT on-resistance parameters on datasheets

三款待測(cè)器件GS66508P、IGT60R070D1及TPH3205WSBQA的封裝類(lèi)型分別為GaN@、PG-HSOF-8-3及TO-247，根據(jù)其封裝特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)PCB并進(jìn)行優(yōu)化，完成三款測(cè)試平臺(tái)搭建。以IGT60R070D1測(cè)試平臺(tái)為例，實(shí)物如圖8所示。1、2、3接口為電感連接點(diǎn)，當(dāng)電感連接于接口1、2時(shí)，Q1、Q2工作，測(cè)試平臺(tái)工作于DPT測(cè)試模式。通過(guò)示波器讀取鉗位電壓穩(wěn)定值和電感電流波形如圖9所示，計(jì)算該測(cè)試條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值。測(cè)試自變量包括斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間及負(fù)載電流大小。當(dāng)電感連接于接口2、3時(shí)，Q1～Q4工作，測(cè)試平臺(tái)工作于FSBB測(cè)試模式。動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻計(jì)算方式與DPT模式相同。測(cè)試自變量包括開(kāi)關(guān)頻率、占空比及軟/硬開(kāi)關(guān)條件。為表示方便，本文以器件標(biāo)稱(chēng)的導(dǎo)通電阻典型值dc作為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)得的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值don進(jìn)行標(biāo)幺化，得到比導(dǎo)通電阻值don/dc，繪制比導(dǎo)通電阻與測(cè)試自變量的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖8 IGT60R070D1器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)

圖9 DPT模式下的鉗位電壓和電感電流波形（VDC=400V, IL=5A）

3.1 DPT模式測(cè)試結(jié)果

3.1.1 斷態(tài)電壓應(yīng)力測(cè)試

設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間為1ms，分別控制負(fù)載電流為5A、15A，改變斷態(tài)電壓應(yīng)力，測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值。三款器件比導(dǎo)通電阻隨斷態(tài)電壓應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖10所示。圖中，縱坐標(biāo)表示比導(dǎo)通電阻值，即測(cè)得的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值don以器件標(biāo)稱(chēng)導(dǎo)通電阻典型值dc為標(biāo)準(zhǔn)而得到的標(biāo)幺化結(jié)果。

由測(cè)試結(jié)果可知，三款器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻均隨斷態(tài)電壓應(yīng)力增大而增大。其中，GS66508P變化幅度最大，當(dāng)斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V時(shí)，負(fù)載電流5A、15A情況下的比導(dǎo)通電阻分別達(dá)到2.017、1.674；IGT60R070D1的變化幅度受負(fù)載電流影響，負(fù)載電流為5A時(shí)，400V斷態(tài)電壓應(yīng)力下的比導(dǎo)通電阻為1.533，而負(fù)載電流為15A時(shí)，比導(dǎo)通電阻隨斷態(tài)電壓應(yīng)力增大不明顯，400V下比導(dǎo)通電阻為1.162；TPH3205WSBQA變化幅度最小，始終保持低的比導(dǎo)通電阻，最大值為1.1左右。

3.1.2 斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間測(cè)試

設(shè)置負(fù)載電流為15A，分別控制斷態(tài)電壓應(yīng)力為200V、400V，改變斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間，測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值。三款器件比導(dǎo)通電阻隨斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖11所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，三款器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻均隨斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，增大速度先快后慢，并逐漸趨于某一定值。在三款GaN器件中，GS66508P變化范圍最大，IGT60R070D1增大幅度較小，TPH3205WSBQA的比導(dǎo)通電阻可近似為基本不變。當(dāng)斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間為4ms時(shí)，GS66508P比導(dǎo)通電阻為1.815、IGT60R070D1比導(dǎo)通電阻為1.206。

圖11 三款器件比導(dǎo)通電阻隨斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.1.3 負(fù)載電流測(cè)試

設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間為1ms，改變負(fù)載電流大小，測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值。三款器件比導(dǎo)通電阻隨負(fù)載電流變化曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 三款器件比導(dǎo)通電阻隨負(fù)載電流變化曲線(xiàn)

3.2 FSBB模式測(cè)試結(jié)果

3.2.1 開(kāi)關(guān)頻率測(cè)試

設(shè)置占空比為0.5、硬開(kāi)關(guān)條件，分別在斷態(tài)電壓應(yīng)力為100V、400V情況下，改變開(kāi)關(guān)頻率，測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值。三款器件比導(dǎo)通電阻隨開(kāi)關(guān)頻率變化曲線(xiàn)如圖13所示。

圖13 三款器件比導(dǎo)通電阻隨開(kāi)關(guān)頻率變化曲線(xiàn)

由測(cè)試結(jié)果可知，三款器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻均隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增大。當(dāng)斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、開(kāi)關(guān)頻率上升至600kHz時(shí)，GS66508P、IGT60R070D1及TPH3205WSBQA的比導(dǎo)通電阻分別為2.178、1.576、1.212。相較于前述的斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力時(shí)間測(cè)試，IGT60R070D1及TPH3205WSBQA的比導(dǎo)通電阻增大較為明顯。

3.2.2 占空比測(cè)試

設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、硬開(kāi)關(guān)條件，分別在開(kāi)關(guān)頻率為100kHz、500kHz情況下，改變占空比，測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值。三款器件比導(dǎo)通電阻隨占空比的變化曲線(xiàn)如圖14所示。

圖14 三款器件比導(dǎo)通電阻隨占空比的變化曲線(xiàn)

由測(cè)試結(jié)果可知，三款器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻均隨占空比的增大而減小。占空比與頻率決定器件在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間。開(kāi)關(guān)頻率一定時(shí)，占空比越大，器件關(guān)斷時(shí)間越短，可等效為DPT模式下斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間越短，因而動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻減小。該變化趨勢(shì)與斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間測(cè)試結(jié)果一致。

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為100kHz時(shí)，隨著占空比趨近于1，三款器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻大幅減小、逐漸趨近于典型值。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為500kHz時(shí)，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻隨占空比增大而減小的幅度降低。尤其是GS66508P器件，隨著占空比從0.1升高至0.9，比導(dǎo)通電阻從2.236下降至1.752，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻仍處于較高數(shù)值。由此可知，低頻條件下，占空比為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻主要影響因素；高頻條件下，開(kāi)關(guān)頻率對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的影響程度超過(guò)占空比。

3.2.3 開(kāi)關(guān)條件測(cè)試

由2.2節(jié)介紹的控制策略實(shí)現(xiàn)被測(cè)器件的零電壓開(kāi)通，實(shí)驗(yàn)波形如圖15所示。設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、占空比為0.5，改變開(kāi)關(guān)頻率，分別測(cè)試三款GaN器件在零電壓開(kāi)通條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，并與3.2.1節(jié)硬開(kāi)關(guān)條件下測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，繪制三款器件比導(dǎo)通電阻在軟/硬開(kāi)關(guān)條件下隨開(kāi)關(guān)頻率變化曲線(xiàn)，如圖16所示。

圖15 待測(cè)器件零電壓開(kāi)通波形

從圖16可以看出，三款被測(cè)器件均在軟開(kāi)關(guān)條件下出現(xiàn)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻降低的現(xiàn)象，且在高頻下更為顯著。其中，GS66508P的變化最為明顯。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為600kHz時(shí)，GS66508P比導(dǎo)通電阻從硬開(kāi)關(guān)條件下的2.178下降至1.498；IGT60R070D1從1.576下降至1.326；TPH3205WSBQA從1.212下降至1.135。隨著開(kāi)關(guān)頻率的降低，開(kāi)關(guān)條件對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的影響減弱。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低至50kHz時(shí)，GS66508P軟、硬開(kāi)關(guān)條件下的比動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻差值很小，IGT60R070D1和TPH3205WSBQA的比動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值基本一致。這一現(xiàn)象與動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象機(jī)制二的理論分析相符，在高壓、高頻條件下，軟開(kāi)關(guān)對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象有明顯的抑制作用。

圖16 三款器件比導(dǎo)通電阻在不同開(kāi)關(guān)頻率下隨開(kāi)關(guān)條件變化曲線(xiàn)

4 測(cè)試結(jié)果分析及應(yīng)用

綜合上述測(cè)試結(jié)果，總結(jié)三款被測(cè)GaN器件在各影響因素下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律，與動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機(jī)理進(jìn)行對(duì)照。并分別基于三款被測(cè)器件，橫向比較不同影響因素對(duì)其導(dǎo)通電阻漂移的影響程度，定量計(jì)算動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻隨影響因素的變化率，分析器件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性差異。并基于分析結(jié)果，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)GaN器件提出應(yīng)用層面的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。

4.1 測(cè)試結(jié)果分析

由3.2節(jié)可知，在變換器中，開(kāi)關(guān)頻率與占空比決定了器件在每個(gè)周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力時(shí)間。因此，本節(jié)不再單獨(dú)考慮斷態(tài)電壓應(yīng)力時(shí)間對(duì)GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的影響程度，只取斷態(tài)電壓應(yīng)力、負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)頻率、占空比及軟硬開(kāi)關(guān)條件這五種影響因素進(jìn)行分析。

根據(jù)650V等級(jí)GaN器件的實(shí)際應(yīng)用常見(jiàn)工況，基于3.1節(jié)與3.2節(jié)測(cè)試結(jié)果，為五種影響因素選取適當(dāng)?shù)淖兓秶?，橫向?qū)Ρ雀饔绊懸蛩卦谶x定變化范圍內(nèi)對(duì)每種器件造成的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移程度及三種器件間的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性差異。針對(duì)前四項(xiàng)影響因素，選擇的變化范圍如下：斷態(tài)電壓應(yīng)力50～400V（負(fù)載電流恒定為15A）；負(fù)載電流5～15A（斷態(tài)電壓應(yīng)力恒定為400V）；開(kāi)關(guān)頻率50～500kHz（斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、占空比恒定為0.5，負(fù)載電流取中間值10A）；占空比從0.1上升至0.9（斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、開(kāi)關(guān)頻率恒定為500kHz，負(fù)載電流取10A）。以上均保持硬開(kāi)關(guān)。針對(duì)開(kāi)關(guān)條件這一影響因素，保持?jǐn)鄳B(tài)電壓應(yīng)力400V、開(kāi)關(guān)頻率500kHz、占空比0.5及負(fù)載電流10A，對(duì)比軟/硬開(kāi)關(guān)條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻情況。

分別標(biāo)記三款被測(cè)GaN器件在上述各項(xiàng)影響因素變化范圍內(nèi)的比導(dǎo)通電阻最大、最小值，繪制如圖17所示的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化范圍綜合對(duì)比。

圖17 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化范圍綜合對(duì)比

圖17中，橫坐標(biāo)依次為五種動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素，縱坐標(biāo)為比導(dǎo)通電阻，不同形狀的標(biāo)記及其連接線(xiàn)段表示對(duì)應(yīng)器件在各影響因素變化范圍內(nèi)的比導(dǎo)通電阻最值及動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移區(qū)間。由圖可知，GS66508P在各影響因素下的比導(dǎo)通電阻最大值均遠(yuǎn)高于另兩款被測(cè)器件，且在每種影響因素取值范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻均呈現(xiàn)出大幅變化。IGT60R070D1的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象次之，但斷態(tài)電壓應(yīng)力作用遠(yuǎn)小于其他影響因素，且其引起的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化范圍也小于另兩款器件的該值。TPH3205WSBQA的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象最不明顯，在高壓、高頻且硬開(kāi)關(guān)條件下，占空比為0.1時(shí)，比導(dǎo)通電阻達(dá)全范圍最大值1.226，但相同條件下，GS66508P和IGT60R070D1的比導(dǎo)通電阻為2.236和1.732。

進(jìn)一步比較五種影響因素對(duì)于同一款器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的作用程度，繪制如圖18所示影響因素作用效果對(duì)比，更加直觀地表示每種影響因素造成的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化量大小。圖18中，對(duì)于可連續(xù)變化的影響因素，即電壓、電流、頻率及占空比，比導(dǎo)通電阻最大、最小值是指在圖17中已選定的該影響因素變化范圍內(nèi)測(cè)到的最大、最小值；而開(kāi)關(guān)條件這一影響因素只包含硬開(kāi)關(guān)條件和軟開(kāi)關(guān)條件兩種，則對(duì)應(yīng)這一影響因素的比導(dǎo)通電阻最值即為在這兩種開(kāi)關(guān)條件下測(cè)得的器件比導(dǎo)通電阻，且根據(jù)前文關(guān)于開(kāi)關(guān)條件的測(cè)試結(jié)果可知，最大值對(duì)應(yīng)硬開(kāi)關(guān)條件、最小值對(duì)應(yīng)軟開(kāi)關(guān)條件?；趫D18，分別計(jì)算三款被測(cè)器件在各影響因素下比導(dǎo)通電阻最大值與最小值的差值，計(jì)算差值占導(dǎo)通電阻標(biāo)稱(chēng)值的百分比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 被測(cè)器件在各影響因素下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化率

Tab.2 Dynamic on-resistance variation of the DUT under different affecting factors （%）

由圖18和表2可知，不同器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化率數(shù)值差異較大，且占主導(dǎo)作用的影響因素類(lèi)型也不同。在三款被測(cè)器件中，GS66508P受各影響因素作用最為均衡。其中，開(kāi)關(guān)頻率引起的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化率最大，達(dá)64%；負(fù)載電流作用最小，為34.3%；其余三種因素作用效果相近。對(duì)于IGT60R070D1，斷態(tài)電壓應(yīng)力引起動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化率遠(yuǎn)小于其他影響因素，僅為5.8%；而在另外四種因素中，作用效果最大的為占空比、最小的為開(kāi)關(guān)條件，其作用效果分別可達(dá)影響因素作用效果的4倍和8倍以上。TPH3205WSBQA的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化率遠(yuǎn)低于另兩款器件，其中，負(fù)載電流和開(kāi)關(guān)條件的作用效果僅為1.9%、5.1%，占空比作用效果最大，對(duì)應(yīng)導(dǎo)通電阻變化率為15.1%。在某些情況下，斷態(tài)電壓應(yīng)力對(duì)IGT60R070D1、負(fù)載電流與開(kāi)關(guān)條件對(duì)TPH3205WSBQA的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響可近似忽略。

由上文可知，三款被測(cè)器件GS66508P、IGT60R070D1、TPH3205WSBQA分別為普通E-mode型、改進(jìn)E-mode型與Cascode型。其動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象差異可由器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。E-mode型GaN器件通過(guò)在柵極引入P-GaN蓋帽層的方式形成增強(qiáng)型，破壞了GaN晶體管的原有結(jié)構(gòu)，因而會(huì)在高壓情況下出現(xiàn)明顯的電流崩塌效應(yīng)，并且在高頻和低占空比情況下更加明顯。與普通E-mode型器件不同，改進(jìn)E-mode型器件通過(guò)在漏極增加P-GaN的方式對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而抑制高壓條件下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法可有效抑制高壓引起的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象，但對(duì)其他因素引起動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移的抑制效果不明顯。Cascode型GaN器件通過(guò)級(jí)聯(lián)低壓Si管形成增強(qiáng)型，并未改變GaN晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而不會(huì)造成明顯的電流崩塌現(xiàn)象，引發(fā)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻明顯增大。

4.2 減小動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移的器件應(yīng)用方法

相同結(jié)構(gòu)的GaN器件具有相近的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性，因而本文中三種型號(hào)GaN器件的測(cè)試結(jié)果及分析可推廣至具有同類(lèi)結(jié)構(gòu)的其余型號(hào)GaN器件。

本節(jié)將基于各類(lèi)結(jié)構(gòu)GaN器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性，給出應(yīng)用層面的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。從器件選型、變換器設(shè)計(jì)等器件應(yīng)用角度入手，充分發(fā)揮GaN器件優(yōu)勢(shì)，并減小其動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻漂移、抑制通態(tài)損耗增加、提升GaN器件應(yīng)用可靠性。具體方法如下。

（1）對(duì)于普通E-mode型器件，其動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻受電壓應(yīng)力影響程度大，因此，在不考慮器件成本時(shí)可降額使用；改進(jìn)E-mode型與Cascode型可不考慮電壓應(yīng)力對(duì)其動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的影響。

（2）開(kāi)關(guān)頻率的提升不僅會(huì)增大器件開(kāi)關(guān)損耗，也會(huì)增大三種結(jié)構(gòu)GaN器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻、增大通態(tài)損耗，因此，在選取開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，需要平衡高頻化帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)與引發(fā)的損耗問(wèn)題。

（3）分析可知，開(kāi)關(guān)頻率與占空比共同決定開(kāi)關(guān)管在每個(gè)周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力時(shí)間；當(dāng)頻率一定時(shí)，占空比減小，每個(gè)周期內(nèi)斷態(tài)電壓應(yīng)力時(shí)間增大，三種結(jié)構(gòu)GaN器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻均隨之增大。此外，在實(shí)際變換器中，死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短也影響每個(gè)周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間。因此，對(duì)三種結(jié)構(gòu)GaN器件設(shè)置占空比與死區(qū)時(shí)間時(shí)，在滿(mǎn)足系統(tǒng)增益的前提下，均應(yīng)盡可能縮短其處于斷態(tài)的時(shí)間。

（4）在拓?fù)溥x擇和開(kāi)關(guān)條件設(shè)計(jì)方面，普通E-mode型與改進(jìn)E-mode型GaN器件在高頻條件下更適用于軟開(kāi)關(guān)條件；當(dāng)受限于拓?fù)浠蚩刂撇呗远荒軐?shí)現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)時(shí)，Cascode型GaN器件在通態(tài)損耗方面更具優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

本文首先對(duì)GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行了分析；提出了一種GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法；針對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)（P-GaN蓋帽層E-mode型、改進(jìn)型P-GaN蓋帽層E-mode型及Cascode型）的GaN器件分別搭建對(duì)應(yīng)測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試，分析其在不同影響因素（包括斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間、負(fù)載電流、占空比、開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)條件）下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象，并從應(yīng)用層面提出動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。本研究有以下三點(diǎn)結(jié)論：

1）本文提出的GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)可提供的測(cè)試條件基本涵蓋實(shí)際應(yīng)用中會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生影響的因素?；谠撈脚_(tái)及對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法，可以方便且全面地對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻在各影響因素下的變化情況進(jìn)行精確測(cè)試。

2）三種結(jié)構(gòu)GaN器件具有不同的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性，隨影響因素變化程度不同，且占主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素不同。其中，普通E-mode型器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象最為明顯，改進(jìn)E-mode型器件次之，Cascode型器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象最不明顯。對(duì)于普通E-mode型器件，開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)條件和斷態(tài)電壓應(yīng)力占最主導(dǎo)因素；改進(jìn)E-mode型器件受占空比影響最大，斷態(tài)電壓應(yīng)力幾乎不影響動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻；Cascode型器件受開(kāi)關(guān)條件和負(fù)載電流的影響在一定程度均可忽略。

3）動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻會(huì)增大通態(tài)損耗，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在某些工作條件下，通態(tài)損耗實(shí)際值會(huì)升高到數(shù)據(jù)手冊(cè)典型值2倍以上。因此，從應(yīng)用層面優(yōu)化動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，對(duì)于降低通態(tài)損耗、提高效率、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)綜合器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻特性、電壓、頻率及開(kāi)關(guān)條件設(shè)置，以保證在符合系統(tǒng)指標(biāo)前提下，器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

[1] Millán J, Godignon P, Perpi?à X, et al. A survey of wide bandgap power semiconductor devices[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(5): 2155-2163.

[2] Flack T J, Pushpakaran B N, Bayne S B. GaN technology for power electronic applications: a review[J]. Journal of Electronic Materials, 2016, 45(6): 2673-2682.

[3] Khalil S G, Hardikar S, Sack S, et al. HV GaN reliability and status[C]//2015 IEEE 3rd Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Blacksburg, VA, 2015: 21-23.

[4] ?apajna M, Hilt O, Bahat-Treidel E, et al. Gate reliability investigation in normally-off P-Type-GaN Cap/AlGaN/GaN HEMTs under forward bias stress[J]. IEEE Electron Device Letters, 2016, 37(4): 385-388.

[5] Ueda T. Reliability issues in GaN and SiC power devices[C]//2014 IEEE International Reliability Physics Symposium, Waikoloa, HI, 2014: 3D.4.1-3D.4.6.

[6] Wang C H, Ho S Y, Huang J J. Suppression of current collapse in enhancement-mode AlGaN/GaN high electron mobility transistors[J]. IEEE Electron Device Letters, 2016, 37(1): 74-76.

[7] Huang Huolin, Liang Y C, Samudra G S, et al. Effects of gate field plates on the surface state related current collapse in AlGaN/GaN HEMTs[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2014, 29(5): 2164-2173.

[8] Lu Bin, Palacios T, Risbud D, et al. Extraction of dynamic on-resistance in GaN transistors: under soft- and hard-switching conditions[C]//2011 IEEE Com- pound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), Waikoloa, HI, 2011: 1-4.

[9] Saito W, Nitta T, Kakiuchi Y, et al. Influence of electric field upon current collapse phenomena and reliability in high voltage GaN-HEMTs[C]//2010 22nd International Symposium on Power Semicon- ductor Devices & IC's (ISPSD), Hiroshima, 2010: 339-342.

[10] JEP173 Dynamic on-resistance test method guidelines for GaN HEMT based power conversion devices[S]. U.S.A: Jedec Solid State Technology Association, Jan. 2019.

[11] Joh J, Tipirneni N, Pendharkar S, et al. Current collapse in GaN heterojunction field effect transistors for high-voltage switching applications[C]//2014 IEEE International Reliability Physics Symposium, Waikoloa, HI, USA, 2014: 6C.5.1-6C.5.4.

[12] Hwang I, Kim J, Chong S, et al. Impact of channel hot electrons on current collapse in AlGaN/GaN HEMTs[J]. IEEE Electron Device Letters, 2013, 34(12): 1494-1496.

[13] Fabris E, Meneghini M, de Santi C, et al. Hot-electron trapping and hole-induced detrapping in GaN-based GITs and HD-GITs[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2019, 66(1): 337-342.

[14] Li Rui, Wu Xinke, Yang Shu, et al. Dynamic on-state resistance test and evaluation of GaN power devices under hard- and soft-switching conditions by double and multiple pulses[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(2): 1044-1053.

[15] Martínez P J, Miaja P F, Maset E, et al. A test circuit for GaN HEMTs dynamicONcharacterization in power electronics applications[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 7(3): 1456-1464.

[16] Li Yuan, Zhao Yuanfu, Huang A Q, et al. Evaluation and analysis of temperature-dependent dynamicDS,ONof GaN power devices considering high- frequency operation[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(1): 111-123.

[17] Cai Yichen, Forsyth A J, Todd R. Impact of GaN HEMT dynamic on-state resistance on converter performance[C]//2017 IEEE Applied Power Elec- tronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, 2017: 1689-1694.

[18] Chang C Y, Li Yichen, Ren Kailin, et al. An AlGaN/GaN high electron mobility transistor with a built-in light emitter using radiative recombination of two-dimensional electron gas and holes[J]. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2020, 8: 346-349.

[19] 梁美, 李艷, 鄭瓊林, 等. 高速 SiC MOSFET開(kāi)關(guān)特性的測(cè)試方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(14): 87-95.

Liang Mei, Li Yan, Zheng Qionglin, et al. Test method for switching performance of high speed SiC MOSFET[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(14): 87-95.

[20] 閆琪, 李艷, 王路. 基于GaN器件的雙Buck逆變器共模與損耗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(20): 133- 141.

Yan Qi, Li Yan, Wang Lu. The common-mode characteristics and loss of dual Buck grid-connected inverter based on GaN devices[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(20): 133-141.

[21] 何杰, 劉鈺山, 畢大強(qiáng), 等. 電壓探頭對(duì)寬禁帶器件高頻暫態(tài)電壓精確測(cè)量的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(2): 362-372.

He Jie, Liu Yushan, Bi Daqiang, et al. Impacts of voltage probes for accurate measurement of high- frequency transient voltage of wide-bandgap devices[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 362-372.

[22] Badawi N, Dieckerhoff S. A new method for dynamic RON extraction of GaN power HEMTs[C]//Pro- ceedings of PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2015: 1-6.

Accurate Measurement of Dynamic on-Resistance of GaN Devices and Affecting Factor Analysis

（School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

Compared with traditional Si devices, GaN devices have the advantages of high voltage and high temperature resistance, small on-resistance and low switching loss. However, the dynamic on-resistance of GaN devices has become the main reliability problem that limits their large-scale application. Based on the affecting factor analysis of the dynamic on-resistance, this paper proposes a comprehensive test platform and test method. The dynamic on-resistance under several affecting factors of three GaN devices with same voltage/current level and different structures is tested. The proportion of affecting factors and the change of dynamic on-resistance are analyzed. The mechanism analysis is verified by being compared with experimental results. Finally, the application methods of GaN devices with low dynamic on-resistance are given. The proposed test platform covers most of the affecting factors of dynamic on-resistance in practical applications. The experimental results show that the dynamic on-resistance characteristics and the dominant affecting factors are different with different device structures. Optimizing the dynamic on-resistance from the application level can effectively reduce the conduction loss.

GaN devices, current collapse effect, dynamic on-resistance, accurate test, optimized application method

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211710

TM46; TN30

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（51877007）。

2021-10-28

2021-12-12

趙方瑋 女，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)镚aN功率器件精確測(cè)試及應(yīng)用。E-mail: zhaofangwei@bjtu.edu.cn

李 艷 女，1977年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮痈哳l變換器、寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)用。E-mail: liyan@bjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）