動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻對(duì)于 GaN 功率晶體管的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。然而，許多工程師都在努力評(píng)估動(dòng)態(tài) RDS(ON)，因?yàn)楹茈y以足夠的分辨率對(duì)其進(jìn)行一致測(cè)量。在本文中，我們將討論使用帶鉗位電路的雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài) RDS(ON) 的技術(shù)

GaN 功率晶體管的“電流崩潰”行為

雖然 GaN 功率晶體管因其低能量損耗和高功率密度能力而在電力電子應(yīng)用中越來越受歡迎，但設(shè)計(jì)工程師仍然對(duì)其可靠性有一些擔(dān)憂。GaN 功率晶體管的關(guān)鍵問題之一是它們?cè)陂_關(guān)操作期間的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 增加，這種現(xiàn)象稱為“電流崩潰”。當(dāng)施加高漏極關(guān)斷電壓時(shí)，電流崩潰是晶體管結(jié)構(gòu)中被俘獲電子的結(jié)果。在開啟事件期間清除被捕獲的電子需要時(shí)間，其特征在于動(dòng)態(tài) RDS(ON) 測(cè)量。增加的動(dòng)態(tài) RDS(ON) 會(huì)降低 GaN 功率晶體管的傳導(dǎo)損耗并導(dǎo)致更高的溫度，這會(huì)影響 GaN 功率晶體管和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。雖然很多廠商提供“無塌陷”的GaN功率晶體管，但工程師們?nèi)匀粨?dān)心電流塌陷的影響。因此，不僅器件制造商，電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)工程師也需要準(zhǔn)確評(píng)估 GaN 功率晶體管的動(dòng)態(tài) RDS(ON)。

動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的挑戰(zhàn)

測(cè)量 許多工程師都在努力準(zhǔn)確評(píng)估動(dòng)態(tài) RDS(ON)。主要有兩個(gè)原因：1）過驅(qū)動(dòng)，2）示波器動(dòng)態(tài)范圍的限制。

當(dāng)我們測(cè)量動(dòng)態(tài) RDS(ON) 時(shí)，我們希望將示波器范圍設(shè)置為剛好足以監(jiān)控導(dǎo)通漏極電壓 (VDS(ON))，例如 1V/div，從而為我們提供示波器的最佳分辨率。不幸的是，晶體管正在從高漏極關(guān)斷電壓 (VDS(OFF)) 切換，例如 400 V。如果測(cè)量范圍不足以覆蓋 VDS(OFF) 和 VDS(ON)，示波器中的放大器會(huì)使波形失真）。這種現(xiàn)象稱為示波器 [1] 的“過驅(qū)動(dòng)”，會(huì)導(dǎo)致示波器放大器飽和和錯(cuò)誤的 VDS(ON) 測(cè)量。

因此，我們必須將示波器范圍設(shè)置得足夠?qū)捯圆东@ VDS(OFF) 和 VDS(ON)，以避免輸入過驅(qū)動(dòng)。但是，這次我們遇到的問題是示波器的動(dòng)態(tài)范圍有限。即使是市場(chǎng)上具有最高垂直分辨率的高端示波器，在 20 MHz 帶寬下也只有大約 9 個(gè)有效位數(shù) (ENOB)（注意：在大多數(shù)情況下，ENOB 是比原始數(shù)字更有用的參數(shù)ADC 的位數(shù)。通常，一些原始位低于放大器的本底噪聲，使它們無法使用）。因此，示波器只能識(shí)別滿量程的 1/29 = 1/512。如果 VDS(OFF) 為 400 V，則最小分辨率將為 400/512 = 0.78 V，這是動(dòng)態(tài) RDS(ON) 測(cè)量完全不可接受的分辨率。

是德科技測(cè)量動(dòng)態(tài) RDS(ON) 的方法

為了克服測(cè)試 GaN 功率晶體管時(shí)的這一挑戰(zhàn)和其他挑戰(zhàn)，是德科技開發(fā)了一款定制的 GaN 測(cè)試板，以與 PD1500A 動(dòng)態(tài)功率器件分析儀和雙脈沖測(cè)試儀配合使用。為了專門克服示波器動(dòng)態(tài)范圍的限制，我們開發(fā)了鉗位電路。圖 1 顯示了我們定制的 GaN 測(cè)試板。新開發(fā)的鉗位電路放置在被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的接口附近。正如我們?cè)谥暗奈恼轮兴懻摰?，該板還具有是德科技的無焊 DUT 接口、低插入電感電流傳感器和可更換的柵極電阻器，我們稱之為可重復(fù)和可靠的 GaN 表征 (R2GC) 技術(shù)。

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圖 1. 是德科技定制的采用 R2GC 技術(shù)的 GaN 測(cè)試板。

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圖 2 顯示了鉗位電路的簡(jiǎn)化概念。該電路與 DUT 的輸出并聯(lián)放置。例如，假設(shè) Q1 的電壓閾值 (VTH) 為 2 V。如果鉗位電壓設(shè)置為 8 V，那么當(dāng) DUT 的 VDS 低于 6 V 時(shí)，該電路可以準(zhǔn)確測(cè)量高達(dá) 6 V 的電壓 VCLAMP。但是, 當(dāng) VDS 高于 6 V 時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量不超過 6 V。這意味著示波器可以設(shè)置在低電壓范圍，例如 1 V/div，這為動(dòng)態(tài) RDS(ON) 測(cè)量提供了足夠的垂直分辨率. JEDEC 的出版物 JEP173 [2] 中也建議了這種使用鉗位電路的測(cè)試方法。

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圖 2. 鉗位電路的簡(jiǎn)化示例。

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圖 3. 新開發(fā)的帶有鉗位電路的 GaN 測(cè)試板獲得的 650 V 額定 GaN E-HEMT 的開啟開關(guān)波形。

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我們使用商用 650 V 額定電壓 GaN E-HEMT（增強(qiáng)模式高電子遷移率晶體管）評(píng)估了我們定制的 GaN 測(cè)試板的性能。圖 3 顯示了在 VDS(OFF) = 400 V、IDS(ON) = 30 A 時(shí) GaN E-HEMT 開關(guān)的開啟波形。黃色波形顯示了鉗位漏極電壓 (VCLAMP)，棕色線顯示了 RDS(ON) ) 由 VCLAMP/IDS 計(jì)算，使用示波器上的 20 MHz 低通濾波器設(shè)置。黃色波形顯示測(cè)得的 VDS 被鉗位在 4.5 V 左右，并且清楚地測(cè)量了 2 V 左右的 VDS(ON)。RDS(ON) 波形的峰峰值噪聲約為 1 mW（就 VDS(ON) 而言為 30 mV），這比我們上面討論的原始 VDS 分辨率 0.78 V 精確得多，足以評(píng)估動(dòng)態(tài) RDS (ON) 對(duì)于大多數(shù) GaN 功率晶體管。

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圖 4. PD1500A（帶有新開發(fā)的鉗位電路）和 B1505A 獲得的 100 V/10 mW GaN E-HEMT 動(dòng)態(tài) RDS(ON) 的測(cè)量結(jié)果

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鉗位電路的另一個(gè)重要特性是電路的響應(yīng)時(shí)間。在DC-DC轉(zhuǎn)換器等典型的電力電子應(yīng)用中，GaN功率晶體管的開關(guān)頻率越來越快，已經(jīng)超過1MHz。這意味著鉗位電路的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于幾百納秒，以測(cè)量實(shí)際工作條件下的動(dòng)態(tài) RDS(ON)。鉗位電路的元件（如晶體管和二極管）本質(zhì)上具有一定量的結(jié)電容和恢復(fù)特性，這會(huì)降低電路的響應(yīng)時(shí)間。因此，獲得鉗位電路的快速響應(yīng)是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

回到圖 3，鉗位 VDS 波形（黃色）在開啟轉(zhuǎn)換剛開始后顯示了大約 50 ns 的負(fù)下降。這種負(fù)下降歸因于鉗位電路的寄生效應(yīng)。在此下降之后，鉗位 VDS 顯示正確的 VDS(ON) 波形。我們的雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)中鉗位電路的響應(yīng)時(shí)間被證明小于 100 ns，這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠快了。

我們還將我們的新動(dòng)態(tài) RDS(ON) 測(cè)試方法與我們之前的系統(tǒng)（B1505A 與 N1267A HVSMU/HCSMU 快速開關(guān)）進(jìn)行了比較。圖 4 顯示了兩種系統(tǒng)獲得的 100 V/10 mW GaN E-HEMT 的測(cè)量結(jié)果。由于 B1505A 基于源測(cè)量單元 (SMU) 技術(shù)，因此測(cè)量需要數(shù)十微秒才能穩(wěn)定。另一方面，PD1500A 的鉗位電路的響應(yīng)時(shí)間快了大約 1000 倍，并成功檢測(cè)了在開啟后 100 ns 內(nèi)發(fā)生的電流崩塌行為的快速響應(yīng)。結(jié)果還表明，所測(cè)動(dòng)態(tài) RDS(ON) 的本底噪聲大約比 B1505A 小十倍，證明我們?cè)趧?dòng)態(tài) RDS(ON) 測(cè)量方面做了顯著改進(jìn)

為了進(jìn)一步了解我們的動(dòng)態(tài) RDS(ON) 測(cè)試能力，我們?cè)u(píng)估了 650 V 額定電壓 GaN E-HEMT 的動(dòng)態(tài) RDS(ON) 的關(guān)斷脈沖長(zhǎng)度和 VDS(OFF) 依賴性。一般來說，當(dāng)施加更長(zhǎng)和更高的 VDS(OFF) 應(yīng)力時(shí)，具有電流崩塌的 GaN 功率晶體管的動(dòng)態(tài) RDS(ON) 會(huì)增加。通過比較雙脈沖測(cè)試波形的第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖之間的RDS(ON)，可以看出電流崩塌的影響。

圖 5 顯示了雙脈沖測(cè)試期間 GaN E-HEMT 的動(dòng)態(tài) RDS(ON) 行為。我們提取了第一個(gè)脈沖（VGS 關(guān)閉前 100 ns）和第二個(gè)脈沖（VGS 打開后 100 ns）之間的 RDS(ON) (ΔRDS(ON)) 偏差。如圖 6 所示，ΔRDS(ON) 隨著施加的 VDS(OFF) 應(yīng)力越長(zhǎng)越高而略有增加，證實(shí)我們的雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)可以有效評(píng)估 GaN 功率晶體管的電流崩潰。

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圖 5. 額定電壓為 650 V 的 GaN E-HEMT 在 500 V/20 A 下的動(dòng)態(tài) RDS(ON) 雙脈沖測(cè)試結(jié)果和 ΔRDS(ON) 提取。

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圖 6. 650V 額定電壓 GaN E-HEMT 的 ΔRDS(ON) 的關(guān)斷脈沖長(zhǎng)度和 VDS(OFF) 依賴性

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概括

電流崩塌仍然是許多工程師對(duì) GaN 功率晶體管的最大擔(dān)憂之一，由于測(cè)試儀器的限制，其評(píng)估非常具有挑戰(zhàn)性。正如我們?cè)诒疚闹兴懻摰?，我們成功?chuàng)建了一個(gè)可重復(fù)且可靠的雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用新開發(fā)的鉗位電路可以有效評(píng)估 GaN 功率晶體管的動(dòng)態(tài) RDS(ON)。