基于恒流源的增強型GaN 動態(tài)導(dǎo)通電阻特性研究

周子牛，敬 成，魯金科，趙 浩

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.國網(wǎng)廣元供電公司，四川 廣元 628000）

0 引言

相較于傳統(tǒng)Si 基器件，GaN 器件因其開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點，在高頻、高功率密度的變換器中有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是氮化鎵器件在實際應(yīng)用中面臨一系列可靠性問題，動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象是其中重要的問題之一[2]。

動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象指的是當(dāng)?shù)壠骷母邏鹤钄酄顟B(tài)進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)后，由于“虛柵”效應(yīng)以及熱電子注入現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻大于靜態(tài)導(dǎo)通電阻（即標(biāo)稱導(dǎo)通電阻）[3]。動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象會增大氮化鎵器件的通態(tài)損耗并降低變換器效率，同時也會導(dǎo)致器件的溫升更加嚴(yán)重[2]。研究動態(tài)導(dǎo)通電阻的變化規(guī)律，有利于準(zhǔn)確評估氮化鎵器件通態(tài)損耗、優(yōu)化變換器散熱設(shè)計以及提高變換器功率密度。

目前已有文獻(xiàn)研究了不同工作條件下氮化鎵器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[4]利用雙脈沖測試電路評估了氮化鎵器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律，但是雙脈沖測試電路存在斷態(tài)電壓應(yīng)力時間無法控制的問題，且注入被測器件的電流會隨時間變化，會在被測器件上產(chǎn)生壓降，影響測試精度。文獻(xiàn)[5]利用電壓源與被測器件、電阻相串聯(lián)的方式研究了斷態(tài)電壓大小對被測器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響，但是注入被測器件的電流未經(jīng)過反饋控制，會隨著被測氮化鎵器件導(dǎo)通電阻的變化而發(fā)生變化。變化的測量電流會影響導(dǎo)通電阻測量的精度。相比之下，使用恒流源測試可避免因電流變化導(dǎo)致的測量誤差?，F(xiàn)有的恒流源測試方案[6]中所設(shè)計的恒流源性能如表1 所示，這些恒流源穩(wěn)定時間較長且輸出電流能力有限，不僅難以滿足在線監(jiān)測導(dǎo)通電阻的需求，而且使得導(dǎo)通電壓的測量較為困難。

表1 現(xiàn)有恒流源測試方案的性能

針對上述問題，本文提出一種基于高速脈沖恒流源的脈沖電流?電壓測試平臺及其測試方法。所設(shè)計的恒流源輸出能力強，穩(wěn)定速度快，不僅使得測量被測器件導(dǎo)通電壓較為容易，還具有在線監(jiān)測高頻下GaN 器件動態(tài)導(dǎo)通電阻變化的潛力。此外，通過所設(shè)計的測試平臺，從溫度、斷態(tài)電壓應(yīng)力和斷態(tài)電壓持續(xù)時間等方面對兩款增強型GaN 器件做了較為詳細(xì)的動態(tài)導(dǎo)通電阻測量。

1 測試平臺及測試方法

1.1 測試平臺

本文采用的測試平臺結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，該平臺由半橋電路、高速脈沖恒流源、加熱臺以及鉗位電路構(gòu)成。其中半橋電路的上管Q1為輔助管，下管Q2為被測器件。在該平臺中，半橋電路為被測器件提供測試條件，高速脈沖恒流源為被測器件注入恒定的測試電流，鉗位電路用以獲取被測器件的導(dǎo)通電壓，加熱臺用以模擬被測器件的環(huán)境溫度。通過所提出的測試平臺，可以評估斷態(tài)電壓及溫度變化時氮化鎵器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻的變化情況。平臺測試的時序圖如圖1b）所示。

圖1 GaN 動態(tài)導(dǎo)通電阻測試平臺及測試時序圖

1.1.1 高速脈沖恒流源

測試平臺中的高速脈沖恒流源電路如圖2a）所示。該高速脈沖恒流源由差動放大電路、PI（比例?積分）調(diào)節(jié)電路以及控制電路構(gòu)成，可以輸出高精度、低延時的測試電流。Rs為電流采樣電阻，P 型MOS 管T 用于電流控制，R3、R4、C2和運算放大器OP2構(gòu)成PI 調(diào)節(jié)電路，R1、R2與運算放大器OP1構(gòu)成差動放大電路。當(dāng)被測器件導(dǎo)通時，電流經(jīng)Rs和二極管D1輸出，在Rs上產(chǎn)生的電壓被差動放大器采樣，運算放大器OP1的輸出電壓與參考電壓VC比較并經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，運算放大器OP2的輸出電壓控制T 在飽和區(qū)的飽和程度以調(diào)節(jié)輸出電流。通過設(shè)定R1、R2、Rs及VC可以調(diào)節(jié)輸出電流。

圖2 高速脈沖恒流源

恒流源輸入側(cè)的超級電容C1用于維持輸出電流，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)需要妥善配置以防止輸出電流振蕩。為了確保輸出電流的高精度，采樣電阻的精度設(shè)置為0.1%，溫漂為25 ppm。運算放大器OP1和OP2具有較高的壓擺率，保障了輸出電流的低延時以及快速穩(wěn)定能力。所設(shè)計的恒流源輸出電流為20 A，輸出電流可在0.5 μs 左右達(dá)到穩(wěn)定值，測試波形如圖2b）所示。

1.1.2 鉗位電路

導(dǎo)通電阻的測量基于被測器件漏源極導(dǎo)通電壓和漏極電流的測量。在本文中，漏極電流由高速脈沖恒流源設(shè)定并通過采樣電阻實現(xiàn)測量，故只需要測量漏源極導(dǎo)通電壓即可測得導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電壓的測量則面臨開關(guān)前后壓差過大引起的測量誤差問題[9]，為了解決這一問題，本文采用一種鉗位電路，既能鉗位被測器件的斷態(tài)電壓應(yīng)力，又可以準(zhǔn)確反映被測器件的導(dǎo)通電壓。

本文采用的鉗位電路圖如圖1a）所示，該電路由N溝道MOSFET M、穩(wěn)壓二極管Dz、附加電壓源VG構(gòu)成。其工作原理如下：當(dāng)被測器件關(guān)斷時，電流流經(jīng)M 和Dz，M 的源極升高，M 的VGS降低，流經(jīng)Dz的電流降低，最終，測量電壓VDS，m即Dz的電壓，會穩(wěn)定在VG-Vth，M（Vth，M為M的閾值電壓）；當(dāng)被測器件導(dǎo)通時，M 漏極和源極之間的電壓下降，穩(wěn)壓管電壓值小于穩(wěn)壓值，M 的VGS＞Vth，M，M完全導(dǎo)通，但M 漏源極壓差很小，流經(jīng)M 的電流極小，M上的壓降可以忽略，此時Dz的電壓即為導(dǎo)通電壓。利用鉗位電路測得的被測器件的導(dǎo)通電壓如圖2b）所示。

1.2 測試方法

本文的測試平臺利用圖1a）中開關(guān)管Q1控制被測器件Q2的斷態(tài)電壓，具體工作時序如圖1b）所示。t1～t2時段中Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，Q2承受斷態(tài)電壓VIN。為了防止Q1、Q2同時導(dǎo)通，引入死區(qū)時段t2～t3；t3～t4時段中，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，恒流源為Q2注入電流，此時測量Q2導(dǎo)通電壓并計算導(dǎo)通電阻。記t1～t2時段為施加應(yīng)力時段ts，t3～t4為測試時間tm，調(diào)整ts時長可以調(diào)整被測器件的斷態(tài)電壓持續(xù)時間，調(diào)整VIN可以調(diào)整被測器件承受斷態(tài)電壓的大小。

當(dāng)施加應(yīng)力時間ts為1 μs，測試時間tm為1 μs 時，本測試平臺可以用于500 kHz 高頻下GaN 器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的在線監(jiān)測。

2 測試結(jié)果

基于上述測試方法，選取額定電壓分別為650 V 的GS66508B 和200 V 的EPC2019 兩種增強型GaN 器件進(jìn)行動態(tài)導(dǎo)通電阻測試，二者的標(biāo)稱導(dǎo)通電阻分別為50 mΩ 和42 mΩ。被測器件封裝形式分別為GaNPX 和BGA，根據(jù)被測器件的封裝特點，分別設(shè)計并優(yōu)化測試平臺，完成兩款測試平臺的搭建。通過示波器讀取鉗位電路測得的導(dǎo)通電壓VDS,m與恒流源輸出電流ICS，如圖2b）所示，并計算導(dǎo)通電阻Ron=VDS,m/ICS。按照圖1b）的測試時序設(shè)置不同的測試條件，測試對應(yīng)條件下GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的變化，繪制以影響因素為自變量，以tm時段內(nèi)平均導(dǎo)通電阻與標(biāo)稱導(dǎo)通電阻的歸一化導(dǎo)通電阻之比Ron/Rdc為因變量的動態(tài)導(dǎo)通電阻變化曲線。測試內(nèi)容包括斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間和溫度。

2.1 斷態(tài)電壓應(yīng)力對導(dǎo)通電阻的影響

設(shè)定ts為1 s，tm為10 ms，設(shè)定被測器件的環(huán)境溫度為30 ℃，改變斷態(tài)電壓應(yīng)力，分別測量兩款被測器件的導(dǎo)通電壓，計算出各自對應(yīng)的導(dǎo)通電阻并繪制曲線，如圖3 所示。橫軸表示以額定電壓為基準(zhǔn)值的斷態(tài)電壓應(yīng)力，縱軸表示歸一化的平均導(dǎo)通電阻。隨著斷態(tài)電壓應(yīng)力的升高，兩款被測器件的導(dǎo)通電阻隨之增加，其中EPC2019 的歸一化導(dǎo)通電阻從1 變化至1.25，而GS66508B 的歸一化導(dǎo)通電阻從1 變化至1.15。

圖3 導(dǎo)通電阻隨斷態(tài)電壓的變化曲線

2.2 斷態(tài)電壓持續(xù)時間對導(dǎo)通電阻的影響

設(shè)定斷態(tài)電壓為100 V，tm為10 ms，被測器件的環(huán)境溫度為30 ℃，改變ts時段的時長，分別測量兩款被測器件的導(dǎo)通電壓，計算各自的導(dǎo)通電阻并繪制曲線，如圖4 所示。橫軸表示斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間，縱軸表示歸一化的平均導(dǎo)通電阻。由圖4 可知：斷態(tài)電壓持續(xù)時間在1 s 以下時，GS66508B 導(dǎo)通電阻基本不變，而EPC2019 的歸一化導(dǎo)通電阻從1.05 升高至1.27；而斷態(tài)電壓持續(xù)時間在1 s 以上時，GS66508B 的歸一化導(dǎo)通電阻從1.02 升高至1.4，而EPC2019 的歸一化導(dǎo)通電阻從1.27 升高至1.81。

圖4 導(dǎo)通電阻隨斷態(tài)電壓持續(xù)時間的變化曲線

2.3 溫度對導(dǎo)通電阻的影響

設(shè)定斷態(tài)電壓為100 V，ts為1 s，tm為10 ms，調(diào)整加熱臺溫度來改變被測器件的環(huán)境溫度，分別測量兩款被測器件的導(dǎo)通電壓，計算各自的導(dǎo)通電阻并繪制曲線，如圖5 所示。橫軸表示環(huán)境溫度，縱軸表示歸一化的平均導(dǎo)通電阻。隨著溫度的升高，兩款被測器件的導(dǎo)通電阻都呈現(xiàn)上升趨勢，GS66508B 的歸一化導(dǎo)通電阻從1.05 增加至2.01，EPC2019 的歸一化導(dǎo)通電阻從1.15 升高至2.05。

圖5 導(dǎo)通電阻隨溫度的變化曲線

3 動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象分析

綜合上述測試結(jié)果，斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓持續(xù)時間以及溫度都會影響GaN 器件動態(tài)導(dǎo)通電阻，但是各因素影響程度不同。具體而言，被測器件的環(huán)境溫度對動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象影響最明顯，斷態(tài)電壓持續(xù)時間對動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響僅次于溫度，而斷態(tài)電壓應(yīng)力的影響最小。

基于測試結(jié)果，在GaN 器件應(yīng)用層面，可考慮以下方法優(yōu)化動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象造成的影響：

1）隨著斷態(tài)電壓應(yīng)力的增大，被測器件的導(dǎo)通電阻持續(xù)增大。因此，GaN 器件的工作電壓不宜過大。

2）隨著斷態(tài)電壓持續(xù)時間的增大，兩款被測器件的導(dǎo)通電阻呈現(xiàn)增大趨勢。顯然，在實際應(yīng)用中，GaN器件的開關(guān)頻率不宜太小。

3）隨著測試溫度的升高，被測器件的導(dǎo)通電阻也出現(xiàn)較大的升高，而導(dǎo)通電阻的升高又會進(jìn)一步強化熱效應(yīng)，因而GaN 器件在應(yīng)用時對散熱設(shè)計有較高的要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于高速脈沖恒流源的GaN 器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的測試方法及相應(yīng)測試平臺，在不同影響因素（包括斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓持續(xù)時間和溫度）下，對兩款器件進(jìn)行動態(tài)導(dǎo)通電阻測試。所設(shè)計的恒流源具有輸出能力強、穩(wěn)定速度快的特點，具有在線監(jiān)測GaN 器件動態(tài)導(dǎo)通電阻的潛力。測試結(jié)果表明，斷態(tài)電壓應(yīng)力、斷態(tài)電壓持續(xù)時間以及溫度會對GaN 器件動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象造成不同程度的影響。因此，GaN 器件應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮電壓應(yīng)力、開關(guān)頻率、工作溫度和散熱設(shè)計等多種因素，盡量讓器件工作時的導(dǎo)通電阻足夠小，以確保變換器性能處于最優(yōu)區(qū)間。