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(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)用的主要問題。北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的趙方瑋、李艷、魏超、張楠、鄭妍璇，在2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，基于動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響機(jī)理分析，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；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。

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(chǎng)合。然而，其在實(shí)際應(yīng)用中也存在一系列的可靠性問題和挑戰(zhàn)，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。

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(shí)，導(dǎo)通電阻暫時(shí)增加、最大漏極電流減??；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)（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，在開關(guān)環(huán)境中動(dòng)作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加。

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，雖然從器件本體層面解釋了動(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。

但是現(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。目前，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。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員從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。基于該測(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。

圖1 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測(cè)試平臺(tái)

研究人員指出，該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。基于該平臺(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。

圖2 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素作用效果對(duì)比

他們發(fā)現(xiàn)，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(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型器件受開關(guān)條件和負(fù)載電流的影響在一定程度均可忽略。

表1被測(cè)器件在影響因素下的電阻變化率

研究人員表示，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。

他們綜合研究結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)該從器件選型、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，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。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）開關(guān)頻率的提升不僅會(huì)增大器件開關(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，在選取開關(guān)頻率時(shí)，需要平衡高頻化帶來的優(yōu)點(diǎn)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(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關(guān)條件；當(dāng)受限于拓?fù)浠蚩刂撇呗远荒軐?shí)現(xiàn)硬開關(guān)時(shí)，Cascode型GaN器件在通態(tài)損耗方面更具優(yōu)勢(shì)。

本文編自2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻精確測(cè)試與影響因素分析”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目的支持。

（來源：電氣新科技）