趙方瑋 李 艷 魏 超 張 楠 鄭妍璇

GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻精確測試與影響因素分析

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)通電阻小和開關(guān)損耗小等優(yōu)勢，但其特有的動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要問題。該文基于動態(tài)導(dǎo)通電阻影響機理分析，首先提出一種GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺及測試方法；然后測試了三款同電壓/電流等級、不同結(jié)構(gòu)GaN器件在各影響因素下的動態(tài)導(dǎo)通電阻，分析影響因素占比及動態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律，與機理分析進行對比驗證；最后從器件應(yīng)用角度給出動態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。該文提出的測試平臺測試變量基本涵蓋實際應(yīng)用中的全部動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素。實驗表明，不同結(jié)構(gòu)GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻特性不同，且占主導(dǎo)的動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素不同。從應(yīng)用層面優(yōu)化動態(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) 動態(tài)導(dǎo)通電阻 精確測試 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)用場合[1-2]。然而，其在實際應(yīng)用中也存在一系列的可靠性問題和挑戰(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)切換到開通狀態(tài)時，導(dǎo)通電阻暫時增加、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)律的動態(tài)變化。該現(xiàn)象即為動態(tài)導(dǎo)通電阻。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會（Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC）提出的標準對其給出定義：由于GaN器件在應(yīng)用期間會遇到各種應(yīng)力條件，一些電荷可能會被困在晶體管結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域中，在開關(guān)環(huán)境中動作時，會導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加[10]。該標準強調(diào)了動態(tài)導(dǎo)通電阻會產(chǎn)生額外的損耗，從而降低系統(tǒng)的整體效率。因此，在實際應(yīng)用中，動態(tài)導(dǎo)通電阻的存在不僅使得GaN器件的通態(tài)損耗無法準確預(yù)測和計算，還會對整個系統(tǒng)的可靠性和工作壽命產(chǎn)生影響。

已有文獻從器件本體層面研究動態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機理。文獻[11]通過對增強型GaN器件的柵極和漏極分別施加脈沖，測試器件在不同高壓開關(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[12]研究溫度、電場、熱電子或其組合對電流崩塌的影響程度，通過觀察電致發(fā)光信號的強弱，發(fā)現(xiàn)柵極與漏極之間的存儲區(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[13]對比測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)和半開通態(tài)條件下電致發(fā)光信號的強弱，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態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，但難以對器件使用者產(chǎn)生實際的參考意義。

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

測試結(jié)果方面，文獻[17]在DPT測試平臺和MPT測試平臺以及實際變換器中分別測試了三款不同廠商生產(chǎn)的600V電壓等級的GaN器件：GS66516T（GaN Systems）、PGA26C09DV（Panasonic）及TPH3206PS（Transphorm），得出其動態(tài)導(dǎo)通電阻與斷態(tài)電壓應(yīng)力大小、斷態(tài)電壓應(yīng)力時間、溫度的定性關(guān)系。文獻[14]分別在DPT和MPT平臺測試了Infineon公司的Si MOSFET與GaN Systems公司、Panasonic公司的單體增強型GaN器件在軟/硬開關(guān)條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻，得出開關(guān)條件對不同GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻特性的影響不同。文獻[15]未詳細給出被測器件（Devices Under Test, DUT）的型號和結(jié)構(gòu)特征，測得增強型GaN器件在硬開關(guān)條件下動態(tài)導(dǎo)通電阻的表現(xiàn)優(yōu)于軟開關(guān)條件，與文獻[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態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律還有待進一步研究。

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

1 動態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機理及影響因素

根據(jù)形成增強型的方法不同，GaN器件可分為兩大類：單體增強（Enhancemend-mode, E-mode）型和級聯(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)（后文簡稱普通E-mode）和改進型P-GaN蓋帽層結(jié)構(gòu)（后文簡稱改進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器件分析動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的發(fā)生機理及影響因素。

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；在襯底上方生長過渡層，主要用于減小GaN生長時不同材料間的應(yīng)力差；過渡層上方為GaN層，用于生長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)電機理的差異導(dǎo)致動態(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，電子被捕獲至溝道外；器件導(dǎo)通后，被捕獲的電子無法完全回到溝道內(nèi)參與導(dǎo)電過程。電荷捕獲與去捕獲存在兩種發(fā)生機理。普通E-mode型器件動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象發(fā)生機理如圖2所示。

圖2 普通E-mode型器件動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象發(fā)生機理

如圖2中機理一所示。普通E-mode型GaN器件處于斷態(tài)時，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)時間越長，被捕獲電子數(shù)量越多，而器件開通后無法提供更多的能量將被捕獲的電子去捕獲到溝道內(nèi)，從而加劇動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象。同時，器件通態(tài)時的漏極電流大小同樣影響動態(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，受動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的影響就越??；反之，漏極電流越小，動態(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)時間及漏極電流（或稱為負載電流）是動態(tài)導(dǎo)通電阻的三個影響因素。

如圖2中機理二所示。普通E-mode型GaN器件在硬開關(guān)動作期間，漏源極同時承受高電壓應(yīng)力和大電流，2DEG中大量熱電子向外運動，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，在軟開關(guān)動作期間，由于此時漏源極并不同時存在高電壓和大電流，無法提供足夠的電場能量加速大量熱電子向外運動并被捕獲，被捕獲的電子數(shù)量低于硬開關(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)動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象。除軟/硬開關(guān)條件外，當(dāng)器件高頻工作于實際變換器中時，開關(guān)頻率與占空比的變化可視為每個周期內(nèi)開通和關(guān)斷時間的變化，因此根據(jù)機理一，也會對動態(tài)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生影響。

綜合上述分析，影響GaN器件動態(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)時間、負載電流、開關(guān)條件、開關(guān)頻率和占空比。這些影響因素同時也作為下一步測試的自變量，用于研究動態(tài)導(dǎo)通電阻隨自變量變化的具體規(guī)律， 以及對比不同自變量對動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響程度的差異。

2 測試平臺及測試方法

動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素較多，傳統(tǒng)測試平臺難以涵蓋所有影響因素測試。為解決這一問題，實現(xiàn)在同一測試平臺完成GaN器件在不同影響因素下的動態(tài)導(dǎo)通電阻精確測試，本文提出一種動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺及其測試方法。

2.1 綜合測試平臺

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

圖3 動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺電路拓撲

本文采用的鉗位電路拓撲如圖4所示，該拓撲是在文獻[22]中提出的鉗位電路基礎(chǔ)上做了改進和簡化，在保證測試快速性和準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。鉗位電路的工作過程分為兩個階段：階段一，待測器件關(guān)斷時，VD也處于關(guān)斷狀態(tài)，電壓探頭測得的信號為VDz的穩(wěn)壓值；階段二，待測器件導(dǎo)通時，VD結(jié)電容放電完畢也處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時電壓探頭測得的信號為待測器件的導(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，保證鉗位電路測量時的快速性和準確性。且通過設(shè)置電阻值，限制流過VD電流的大小，避免因為自熱引起溫度上升，導(dǎo)致VD受溫度影響出現(xiàn)正向壓降的增大。

圖4 鉗位電路拓撲

2.2 測試平臺應(yīng)用方法

2.2.1 DPT模式測試

DPT模式電路原理及驅(qū)動脈沖示意圖如圖5所示。將接口1、2相連時，即為DPT測試模式，電路原理如圖5a所示。在該模式下可測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)時間和負載電流。具體測試步驟及測試變量控制方法如下。

圖5 DPT模式電路原理及驅(qū)動脈沖示意圖

與傳統(tǒng)的DPT測試原理類似，以Q2為待測器件，給Q1、Q2施加如圖5b所示的驅(qū)動脈沖，測量Q2在第二個脈沖開通期間的電壓電流波形。通過改變母線電壓in來控制測試變量待測器件斷態(tài)電壓應(yīng)力。

0～1：給Q2施加第一個驅(qū)動脈沖，Q2導(dǎo)通，電感充電。通過控制0～1時長改變電感電流大小，進而控制測試變量負載電流。

1～2：Q2關(guān)斷，給Q1施加驅(qū)動脈沖，Q1導(dǎo)通，電感續(xù)流，此階段電感電流大小基本保持不變。通過控制1～2時長而控制測試變量斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間。

2～3：給Q2施加第二個驅(qū)動脈沖，Q2導(dǎo)通，此階段為動態(tài)導(dǎo)通電阻測試的關(guān)鍵階段。測量Q2導(dǎo)通期間通態(tài)電壓波形并計算平均值DS-ON、測量漏極電流D，計算求得動態(tài)導(dǎo)通電阻值（dynamic on-Resistance, don）。

2.2.2 FSBB模式測試

將接口2、3相連時，即為FSBB測試模式，電路原理如圖6所示。以Q2和Q3為被測器件，L為阻性負載。在該模式下可測試的影響因素包括開關(guān)頻率、占空比、開關(guān)條件。其中，前兩項測試變量的控制通過改變驅(qū)動信號而實現(xiàn)，測試變量開關(guān)條件則需通過改變控制策略而實現(xiàn)硬開關(guān)或軟開關(guān)。以下以零電壓開通為例，介紹實現(xiàn)軟開關(guān)的控制方法。

圖6 FSBB模式電路原理

圖7所示為FSBB測試模式下實現(xiàn)軟開關(guān)的控制策略及各階段等效電路。

圖7 FSBB模式軟開關(guān)測試理論波形及階段等效電路

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

1～2：該階段為Q3和Q4的死區(qū)時間，此時電感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，Q4零電壓開通。

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

3～4：該階段為Q1和Q2的死區(qū)時間，此時電感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，Q2零電壓開通。

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

5～6：該階段為Q3和Q4的死區(qū)時間，此時電感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，Q3零電壓開通。

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

7～8：該階段為Q1和Q2的死區(qū)時間，此時電感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，Q1零電壓開通。

根據(jù)上述工作過程分析，被測器件在每個周期內(nèi)均實現(xiàn)零電壓開通。此外，基于該測試平臺，在硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下均可分別調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)頻率和占空比，實現(xiàn)不同開關(guān)頻率、占空比條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻測試。

3 動態(tài)導(dǎo)通電阻測試

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

表1 被測器件數(shù)據(jù)手冊導(dǎo)通電阻參數(shù)

Tab.1 DUT on-resistance parameters on datasheets

三款待測器件GS66508P、IGT60R070D1及TPH3205WSBQA的封裝類型分別為GaN@、PG-HSOF-8-3及TO-247，根據(jù)其封裝特點，分別設(shè)計測試平臺PCB并進行優(yōu)化，完成三款測試平臺搭建。以IGT60R070D1測試平臺為例，實物如圖8所示。1、2、3接口為電感連接點，當(dāng)電感連接于接口1、2時，Q1、Q2工作，測試平臺工作于DPT測試模式。通過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，計算該測試條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻值。測試自變量包括斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間及負載電流大小。當(dāng)電感連接于接口2、3時，Q1～Q4工作，測試平臺工作于FSBB測試模式。動態(tài)導(dǎo)通電阻計算方式與DPT模式相同。測試自變量包括開關(guān)頻率、占空比及軟/硬開關(guān)條件。為表示方便，本文以器件標稱的導(dǎo)通電阻典型值dc作為基準，對測得的動態(tài)導(dǎo)通電阻值don進行標幺化，得到比導(dǎo)通電阻值don/dc，繪制比導(dǎo)通電阻與測試自變量的關(guān)系曲線。

圖8 IGT60R070D1器件動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺

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模式測試結(jié)果

3.1.1 斷態(tài)電壓應(yīng)力測試

設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間為1ms，分別控制負載電流為5A、15A，改變斷態(tài)電壓應(yīng)力，測試動態(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)力變化曲線如圖10所示。圖中，縱坐標表示比導(dǎo)通電阻值，即測得的動態(tài)導(dǎo)通電阻值don以器件標稱導(dǎo)通電阻典型值dc為標準而得到的標幺化結(jié)果。

由測試結(jié)果可知，三款器件動態(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，負載電流5A、15A情況下的比導(dǎo)通電阻分別達到2.017、1.674；IGT60R070D1的變化幅度受負載電流影響，負載電流為5A時，400V斷態(tài)電壓應(yīng)力下的比導(dǎo)通電阻為1.533，而負載電流為15A時，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)時間測試

設(shè)置負載電流為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)時間，測試動態(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)時間變化曲線如圖11所示。

由測試結(jié)果可知，三款器件動態(tài)導(dǎo)通電阻均隨斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間的延長而增大，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)時間為4ms時，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)時間變化曲線

3.1.3 負載電流測試

設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間為1ms，改變負載電流大小，測試動態(tài)導(dǎo)通電阻值。三款器件比導(dǎo)通電阻隨負載電流變化曲線如圖12所示。

圖12 三款器件比導(dǎo)通電阻隨負載電流變化曲線

3.2 FSBB模式測試結(jié)果

3.2.1 開關(guān)頻率測試

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

圖13 三款器件比導(dǎo)通電阻隨開關(guān)頻率變化曲線

由測試結(jié)果可知，三款器件動態(tài)導(dǎo)通電阻均隨開關(guān)頻率的提高而增大。當(dāng)斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、開關(guān)頻率上升至600kHz時，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)力時間測試，IGT60R070D1及TPH3205WSBQA的比導(dǎo)通電阻增大較為明顯。

3.2.2 占空比測試

設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、硬開關(guān)條件，分別在開關(guān)頻率為100kHz、500kHz情況下，改變占空比，測試動態(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

由測試結(jié)果可知，三款器件動態(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周期內(nèi)的導(dǎo)通、關(guān)斷時間。開關(guān)頻率一定時，占空比越大，器件關(guān)斷時間越短，可等效為DPT模式下斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間越短，因而動態(tài)導(dǎo)通電阻減小。該變化趨勢與斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間測試結(jié)果一致。

當(dāng)開關(guān)頻率為100kHz時，隨著占空比趨近于1，三款器件動態(tài)導(dǎo)通電阻大幅減小、逐漸趨近于典型值。當(dāng)開關(guān)頻率為500kHz時，動態(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，占空比為動態(tài)導(dǎo)通電阻主要影響因素；高頻條件下，開關(guān)頻率對動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響程度超過占空比。

3.2.3 開關(guān)條件測試

由2.2節(jié)介紹的控制策略實現(xiàn)被測器件的零電壓開通，實驗波形如圖15所示。設(shè)置斷態(tài)電壓應(yīng)力為400V、占空比為0.5，改變開關(guān)頻率，分別測試三款GaN器件在零電壓開通條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻，并與3.2.1節(jié)硬開關(guān)條件下測試結(jié)果進行對比，繪制三款器件比導(dǎo)通電阻在軟/硬開關(guān)條件下隨開關(guān)頻率變化曲線，如圖16所示。

圖15 待測器件零電壓開通波形

從圖16可以看出，三款被測器件均在軟開關(guān)條件下出現(xiàn)動態(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)開關(guān)頻率為600kHz時，GS66508P比導(dǎo)通電阻從硬開關(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。隨著開關(guān)頻率的降低，開關(guān)條件對動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象的影響減弱。當(dāng)開關(guān)頻率低至50kHz時，GS66508P軟、硬開關(guān)條件下的比動態(tài)導(dǎo)通電阻差值很小，IGT60R070D1和TPH3205WSBQA的比動態(tài)導(dǎo)通電阻值基本一致。這一現(xiàn)象與動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象機制二的理論分析相符，在高壓、高頻條件下，軟開關(guān)對動態(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)通電阻在不同開關(guān)頻率下隨開關(guān)條件變化曲線

4 測試結(jié)果分析及應(yīng)用

綜合上述測試結(jié)果，總結(jié)三款被測GaN器件在各影響因素下的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律，與動態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機理進行對照。并分別基于三款被測器件，橫向比較不同影響因素對其導(dǎo)通電阻漂移的影響程度，定量計算動態(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)致的動態(tài)導(dǎo)通電阻特性差異。并基于分析結(jié)果，針對不同結(jié)構(gòu)GaN器件提出應(yīng)用層面的動態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。

4.1 測試結(jié)果分析

由3.2節(jié)可知，在變換器中，開關(guān)頻率與占空比決定了器件在每個周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力時間。因此，本節(jié)不再單獨考慮斷態(tài)電壓應(yīng)力時間對GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響程度，只取斷態(tài)電壓應(yīng)力、負載電流、開關(guān)頻率、占空比及軟硬開關(guān)條件這五種影響因素進行分析。

根據(jù)650V等級GaN器件的實際應(yīng)用常見工況，基于3.1節(jié)與3.2節(jié)測試結(jié)果，為五種影響因素選取適當(dāng)?shù)淖兓秶瑱M向?qū)Ρ雀饔绊懸蛩卦谶x定變化范圍內(nèi)對每種器件造成的動態(tài)導(dǎo)通電阻漂移程度及三種器件間的動態(tài)導(dǎo)通電阻特性差異。針對前四項影響因素，選擇的變化范圍如下：斷態(tài)電壓應(yīng)力50～400V（負載電流恒定為15A）；負載電流5～15A（斷態(tài)電壓應(yīng)力恒定為400V）；開關(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、開關(guān)頻率恒定為500kHz，負載電流取10A）。以上均保持硬開關(guān)。針對開關(guān)條件這一影響因素，保持斷態(tài)電壓應(yīng)力400V、開關(guān)頻率500kHz、占空比0.5及負載電流10A，對比軟/硬開關(guān)條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻情況。

分別標記三款被測GaN器件在上述各項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所示的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化范圍綜合對比。

圖17 動態(tài)導(dǎo)通電阻變化范圍綜合對比

圖17中，橫坐標依次為五種動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素，縱坐標為比導(dǎo)通電阻，不同形狀的標記及其連接線段表示對應(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)通電阻最大值均遠高于另兩款被測器件，且在每種影響因素取值范圍內(nèi)，動態(tài)導(dǎo)通電阻均呈現(xiàn)出大幅變化。IGT60R070D1的動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象次之，但斷態(tài)電壓應(yīng)力作用遠小于其他影響因素，且其引起的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化范圍也小于另兩款器件的該值。TPH3205WSBQA的動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象最不明顯，在高壓、高頻且硬開關(guān)條件下，占空比為0.1時，比導(dǎo)通電阻達全范圍最大值1.226，但相同條件下，GS66508P和IGT60R070D1的比導(dǎo)通電阻為2.236和1.732。

進一步比較五種影響因素對于同一款器件動態(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比，更加直觀地表示每種影響因素造成的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化量大小。圖18中，對于可連續(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)測到的最大、最小值；而開關(guān)條件這一影響因素只包含硬開關(guān)條件和軟開關(guān)條件兩種，則對應(yīng)這一影響因素的比導(dǎo)通電阻最值即為在這兩種開關(guān)條件下測得的器件比導(dǎo)通電阻，且根據(jù)前文關(guān)于開關(guān)條件的測試結(jié)果可知，最大值對應(yīng)硬開關(guān)條件、最小值對應(yīng)軟開關(guān)條件?；趫D18，分別計算三款被測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，計算差值占導(dǎo)通電阻標稱值的百分比，結(jié)果見表2。

表2 被測器件在各影響因素下的動態(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)作用的影響因素類型也不同。在三款被測器件中，GS66508P受各影響因素作用最為均衡。其中，開關(guān)頻率引起的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化率最大，達64%；負載電流作用最小，為34.3%；其余三種因素作用效果相近。對于IGT60R070D1，斷態(tài)電壓應(yīng)力引起動態(tài)導(dǎo)通電阻變化率遠小于其他影響因素，僅為5.8%；而在另外四種因素中，作用效果最大的為占空比、最小的為開關(guān)條件，其作用效果分別可達影響因素作用效果的4倍和8倍以上。TPH3205WSBQA的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化率遠低于另兩款器件，其中，負載電流和開關(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IGT60R070D1、負載電流與開關(guān)條件對TPH3205WSBQA的動態(tài)導(dǎo)通電阻影響可近似忽略。

由上文可知，三款被測器件GS66508P、IGT60R070D1、TPH3205WSBQA分別為普通E-mode型、改進E-mode型與Cascode型。其動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象差異可由器件結(jié)構(gòu)進行解釋。E-mode型GaN器件通過在柵極引入P-GaN蓋帽層的方式形成增強型，破壞了GaN晶體管的原有結(jié)構(gòu)，因而會在高壓情況下出現(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E-mode型器件通過在漏極增加P-GaN的方式對器件結(jié)構(gòu)進行了改進，從而抑制高壓條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻漂移。由實驗結(jié)果可知，該方法可有效抑制高壓引起的動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象，但對其他因素引起動態(tài)導(dǎo)通電阻漂移的抑制效果不明顯。Cascode型GaN器件通過級聯(lián)低壓Si管形成增強型，并未改變GaN晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而不會造成明顯的電流崩塌現(xiàn)象，引發(fā)動態(tài)導(dǎo)通電阻明顯增大。

4.2 減小動態(tài)導(dǎo)通電阻漂移的器件應(yīng)用方法

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

本節(jié)將基于各類結(jié)構(gòu)GaN器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻特性，給出應(yīng)用層面的動態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。從器件選型、變換器設(shè)計等器件應(yīng)用角度入手，充分發(fā)揮GaN器件優(yōu)勢，并減小其動態(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）對于普通E-mode型器件，其動態(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可降額使用；改進E-mode型與Cascode型可不考慮電壓應(yīng)力對其動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響。

（2）開關(guān)頻率的提升不僅會增大器件開關(guān)損耗，也會增大三種結(jié)構(gòu)GaN器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻、增大通態(tài)損耗，因此，在選取開關(guān)頻率時，需要平衡高頻化帶來的優(yōu)點與引發(fā)的損耗問題。

（3）分析可知，開關(guān)頻率與占空比共同決定開關(guān)管在每個周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力時間；當(dāng)頻率一定時，占空比減小，每個周期內(nèi)斷態(tài)電壓應(yīng)力時間增大，三種結(jié)構(gòu)GaN器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻均隨之增大。此外，在實際變換器中，死區(qū)時間的長短也影響每個周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間。因此，對三種結(jié)構(gòu)GaN器件設(shè)置占空比與死區(qū)時間時，在滿足系統(tǒng)增益的前提下，均應(yīng)盡可能縮短其處于斷態(tài)的時間。

（4）在拓撲選擇和開關(guān)條件設(shè)計方面，普通E-mode型與改進E-mode型GaN器件在高頻條件下更適用于軟開關(guān)條件；當(dāng)受限于拓撲或控制策略而只能實現(xiàn)硬開關(guān)時，Cascode型GaN器件在通態(tài)損耗方面更具優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文首先對GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機理及影響因素進行了分析；提出了一種GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺及測試方法；針對三種不同結(jié)構(gòu)（P-GaN蓋帽層E-mode型、改進型P-GaN蓋帽層E-mode型及Cascode型）的GaN器件分別搭建對應(yīng)測試平臺，進行了動態(tài)導(dǎo)通電阻測試，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)時間、負載電流、占空比、開關(guān)頻率、開關(guān)條件）下的動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象，并從應(yīng)用層面提出動態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。本研究有以下三點結(jié)論：

1）本文提出的GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺可提供的測試條件基本涵蓋實際應(yīng)用中會對動態(tài)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生影響的因素?；谠撈脚_及對應(yīng)的測試方法，可以方便且全面地對動態(tài)導(dǎo)通電阻在各影響因素下的變化情況進行精確測試。

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

3）動態(tài)導(dǎo)通電阻會增大通態(tài)損耗，根據(jù)測試結(jié)果，在某些工作條件下，通態(tài)損耗實際值會升高到數(shù)據(jù)手冊典型值2倍以上。因此，從應(yīng)用層面優(yōu)化動態(tài)導(dǎo)通電阻，對于降低通態(tài)損耗、提高效率、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。在實際運用中，應(yīng)綜合器件動態(tài)導(dǎo)通電阻特性、電壓、頻率及開關(guān)條件設(shè)置，以保證在符合系統(tǒng)指標前提下，器件動態(tài)導(dǎo)通電阻實現(xiàn)最優(yōu)化。

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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

國家自然科學(xué)基金面上資助項目（51877007）。

2021-10-28

2021-12-12

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

李 艷 女，1977年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子高頻變換器、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）