基于恒流源的增强型GaN 动态导通电阻特性研究

周子牛，敬 成，鲁金科，赵 浩

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443000；2.国网广元供电公司，四川 广元 628000）

0 引言

相较于传统Si 基器件，GaN 器件因其开关频率高、导通电阻低的优点，在高频、高功率密度的变换器中有着广阔的应用前景[1]。但是氮化镓器件在实际应用中面临一系列可靠性问题，动态导通电阻现象是其中重要的问题之一[2]。

动态导通电阻现象指的是当氮化镓器件从高压阻断状态进入到导通状态后，由于“虚栅”效应以及热电子注入现象，导致导通电阻大于静态导通电阻（即标称导通电阻）[3]。动态导通电阻现象会增大氮化镓器件的通态损耗并降低变换器效率，同时也会导致器件的温升更加严重[2]。研究动态导通电阻的变化规律，有利于准确评估氮化镓器件通态损耗、优化变换器散热设计以及提高变换器功率密度。

目前已有文献研究了不同工作条件下氮化镓器件动态导通电阻的变化规律。文献[4]利用双脉冲测试电路评估了氮化镓器件的动态导通电阻变化规律，但是双脉冲测试电路存在断态电压应力时间无法控制的问题，且注入被测器件的电流会随时间变化，会在被测器件上产生压降，影响测试精度。文献[5]利用电压源与被测器件、电阻相串联的方式研究了断态电压大小对被测器件动态导通电阻的影响，但是注入被测器件的电流未经过反馈控制，会随着被测氮化镓器件导通电阻的变化而发生变化。变化的测量电流会影响导通电阻测量的精度。相比之下，使用恒流源测试可避免因电流变化导致的测量误差。现有的恒流源测试方案[6]中所设计的恒流源性能如表1 所示，这些恒流源稳定时间较长且输出电流能力有限，不仅难以满足在线监测导通电阻的需求，而且使得导通电压的测量较为困难。

表1 现有恒流源测试方案的性能

针对上述问题，本文提出一种基于高速脉冲恒流源的脉冲电流⁃电压测试平台及其测试方法。所设计的恒流源输出能力强，稳定速度快，不仅使得测量被测器件导通电压较为容易，还具有在线监测高频下GaN 器件动态导通电阻变化的潜力。此外，通过所设计的测试平台，从温度、断态电压应力和断态电压持续时间等方面对两款增强型GaN 器件做了较为详细的动态导通电阻测量。

1 测试平台及测试方法

1.1 测试平台

本文采用的测试平台结构如图1a）所示，该平台由半桥电路、高速脉冲恒流源、加热台以及钳位电路构成。其中半桥电路的上管Q1为辅助管，下管Q2为被测器件。在该平台中，半桥电路为被测器件提供测试条件，高速脉冲恒流源为被测器件注入恒定的测试电流，钳位电路用以获取被测器件的导通电压，加热台用以模拟被测器件的环境温度。通过所提出的测试平台，可以评估断态电压及温度变化时氮化镓器件的动态导通电阻的变化情况。平台测试的时序图如图1b）所示。

图1 GaN 动态导通电阻测试平台及测试时序图

1.1.1 高速脉冲恒流源

测试平台中的高速脉冲恒流源电路如图2a）所示。该高速脉冲恒流源由差动放大电路、PI（比例⁃积分）调节电路以及控制电路构成，可以输出高精度、低延时的测试电流。Rs为电流采样电阻，P 型MOS 管T 用于电流控制，R3、R4、C2和运算放大器OP2构成PI 调节电路，R1、R2与运算放大器OP1构成差动放大电路。当被测器件导通时，电流经Rs和二极管D1输出，在Rs上产生的电压被差动放大器采样，运算放大器OP1的输出电压与参考电压VC比较并经过PI 调节器调节后，运算放大器OP2的输出电压控制T 在饱和区的饱和程度以调节输出电流。通过设定R1、R2、Rs及VC可以调节输出电流。

图2 高速脉冲恒流源

恒流源输入侧的超级电容C1用于维持输出电流，PI调节器参数需要妥善配置以防止输出电流振荡。为了确保输出电流的高精度，采样电阻的精度设置为0.1%，温漂为25 ppm。运算放大器OP1和OP2具有较高的压摆率，保障了输出电流的低延时以及快速稳定能力。所设计的恒流源输出电流为20 A，输出电流可在0.5 μs 左右达到稳定值，测试波形如图2b）所示。

1.1.2 钳位电路

导通电阻的测量基于被测器件漏源极导通电压和漏极电流的测量。在本文中，漏极电流由高速脉冲恒流源设定并通过采样电阻实现测量，故只需要测量漏源极导通电压即可测得导通电阻。导通电压的测量则面临开关前后压差过大引起的测量误差问题[9]，为了解决这一问题，本文采用一种钳位电路，既能钳位被测器件的断态电压应力，又可以准确反映被测器件的导通电压。

本文采用的钳位电路图如图1a）所示，该电路由N沟道MOSFET M、稳压二极管Dz、附加电压源VG构成。其工作原理如下：当被测器件关断时，电流流经M 和Dz，M 的源极升高，M 的VGS降低，流经Dz的电流降低，最终，测量电压VDS，m即Dz的电压，会稳定在VG-Vth，M（Vth，M为M的阈值电压）；当被测器件导通时，M 漏极和源极之间的电压下降，稳压管电压值小于稳压值，M 的VGS＞Vth，M，M完全导通，但M 漏源极压差很小，流经M 的电流极小，M上的压降可以忽略，此时Dz的电压即为导通电压。利用钳位电路测得的被测器件的导通电压如图2b）所示。

1.2 测试方法

本文的测试平台利用图1a）中开关管Q1控制被测器件Q2的断态电压，具体工作时序如图1b）所示。t1～t2时段中Q1导通，Q2关断，Q2承受断态电压VIN。为了防止Q1、Q2同时导通，引入死区时段t2～t3；t3～t4时段中，Q1关断，Q2导通，恒流源为Q2注入电流，此时测量Q2导通电压并计算导通电阻。记t1～t2时段为施加应力时段ts，t3～t4为测试时间tm，调整ts时长可以调整被测器件的断态电压持续时间，调整VIN可以调整被测器件承受断态电压的大小。

当施加应力时间ts为1 μs，测试时间tm为1 μs 时，本测试平台可以用于500 kHz 高频下GaN 器件动态导通电阻的在线监测。

2 测试结果

基于上述测试方法，选取额定电压分别为650 V 的GS66508B 和200 V 的EPC2019 两种增强型GaN 器件进行动态导通电阻测试，二者的标称导通电阻分别为50 mΩ 和42 mΩ。被测器件封装形式分别为GaNPX 和BGA，根据被测器件的封装特点，分别设计并优化测试平台，完成两款测试平台的搭建。通过示波器读取钳位电路测得的导通电压VDS,m与恒流源输出电流ICS，如图2b）所示，并计算导通电阻Ron=VDS,m/ICS。按照图1b）的测试时序设置不同的测试条件，测试对应条件下GaN器件动态导通电阻的变化，绘制以影响因素为自变量，以tm时段内平均导通电阻与标称导通电阻的归一化导通电阻之比Ron/Rdc为因变量的动态导通电阻变化曲线。测试内容包括断态电压应力、断态电压应力持续时间和温度。

2.1 断态电压应力对导通电阻的影响

设定ts为1 s，tm为10 ms，设定被测器件的环境温度为30 ℃，改变断态电压应力，分别测量两款被测器件的导通电压，计算出各自对应的导通电阻并绘制曲线，如图3 所示。横轴表示以额定电压为基准值的断态电压应力，纵轴表示归一化的平均导通电阻。随着断态电压应力的升高，两款被测器件的导通电阻随之增加，其中EPC2019 的归一化导通电阻从1 变化至1.25，而GS66508B 的归一化导通电阻从1 变化至1.15。

图3 导通电阻随断态电压的变化曲线

2.2 断态电压持续时间对导通电阻的影响

设定断态电压为100 V，tm为10 ms，被测器件的环境温度为30 ℃，改变ts时段的时长，分别测量两款被测器件的导通电压，计算各自的导通电阻并绘制曲线，如图4 所示。横轴表示断态电压应力持续时间，纵轴表示归一化的平均导通电阻。由图4 可知：断态电压持续时间在1 s 以下时，GS66508B 导通电阻基本不变，而EPC2019 的归一化导通电阻从1.05 升高至1.27；而断态电压持续时间在1 s 以上时，GS66508B 的归一化导通电阻从1.02 升高至1.4，而EPC2019 的归一化导通电阻从1.27 升高至1.81。

图4 导通电阻随断态电压持续时间的变化曲线

2.3 温度对导通电阻的影响

设定断态电压为100 V，ts为1 s，tm为10 ms，调整加热台温度来改变被测器件的环境温度，分别测量两款被测器件的导通电压，计算各自的导通电阻并绘制曲线，如图5 所示。横轴表示环境温度，纵轴表示归一化的平均导通电阻。随着温度的升高，两款被测器件的导通电阻都呈现上升趋势，GS66508B 的归一化导通电阻从1.05 增加至2.01，EPC2019 的归一化导通电阻从1.15 升高至2.05。

图5 导通电阻随温度的变化曲线

3 动态导通电阻现象分析

综合上述测试结果，断态电压应力、断态电压持续时间以及温度都会影响GaN 器件动态导通电阻，但是各因素影响程度不同。具体而言，被测器件的环境温度对动态导通电阻现象影响最明显，断态电压持续时间对动态导通电阻的影响仅次于温度，而断态电压应力的影响最小。

基于测试结果，在GaN 器件应用层面，可考虑以下方法优化动态导通电阻现象造成的影响：

1）随着断态电压应力的增大，被测器件的导通电阻持续增大。因此，GaN 器件的工作电压不宜过大。

2）随着断态电压持续时间的增大，两款被测器件的导通电阻呈现增大趋势。显然，在实际应用中，GaN器件的开关频率不宜太小。

3）随着测试温度的升高，被测器件的导通电阻也出现较大的升高，而导通电阻的升高又会进一步强化热效应，因而GaN 器件在应用时对散热设计有较高的要求。

4 结论

本文提出了一种基于高速脉冲恒流源的GaN 器件动态导通电阻的测试方法及相应测试平台，在不同影响因素（包括断态电压应力、断态电压持续时间和温度）下，对两款器件进行动态导通电阻测试。所设计的恒流源具有输出能力强、稳定速度快的特点，具有在线监测GaN 器件动态导通电阻的潜力。测试结果表明，断态电压应力、断态电压持续时间以及温度会对GaN 器件动态导通电阻现象造成不同程度的影响。因此，GaN 器件应用中应综合考虑电压应力、开关频率、工作温度和散热设计等多种因素，尽量让器件工作时的导通电阻足够小，以确保变换器性能处于最优区间。