GaN器件动态导通电阻精确测试与影响因素分析.docxVIP

? ? GaN器件动态导通电阻精确测试与影响因素分析 ? ? 赵方玮 李 艳 魏 超 张 楠 郑妍璇 GaN器件动态导通电阻精确测试与影响因素分析 赵方玮 李 艳 魏 超 张 楠 郑妍璇 （北京交通大学电气工程学院 北京 100044） GaN器件较传统Si器件具有耐高压、耐高温、导通电阻小和开关损耗小等优势，但其特有的动态导通电阻现象是限制其大规模应用的主要问题。该文基于动态导通电阻影响机理分析，首先提出一种GaN器件动态导通电阻综合测试平台及测试方法；然后测试了三款同电压/电流等级、不同结构GaN器件在各影响因素下的动态导通电阻，分析影响因素占比及动态导通电阻变化规律，与机理分析进行对比验证；最后从器件应用角度给出动态导通电阻优化方法。该文提出的测试平台测试变量基本涵盖实际应用中的全部动态导通电阻影响因素。实验表明，不同结构GaN器件动态导通电阻特性不同，且占主导的动态导通电阻影响因素不同。从应用层面优化动态导通电阻，可有效降低通态损耗。 GaN器件 电流崩塌效应 动态导通电阻 精确测试 优化应用方法 0 引言 相较于传统硅（Silicon, Si）器件，氮化镓（Gallium Nitride, GaN）功率半导体器件因其材料特性可工作于更高的电压应力、更快的开关频率，具有更大的温度容限，更适用于高频、高功率密度的应用场合[1-2]。然而，其在实际应用中也存在一系列的可靠性问题和挑战[3-5]，其中以电流崩塌效应最为显著、影响最大。该效应在器件具体参数上表现为动态导通电阻[6-7]。 GaN器件在关断状态承受漏源极高电压，当切换到开通状态时，导通电阻暂时增加、最大漏极电流减小[8-9]；在不同条件下，导通电阻呈现出一定规律的动态变化。该现象即为动态导通电阻。联合电子设备工程委员会（Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC）提出的标准对其给出定义：由于GaN器件在应用期间会遇到各种应力条件，一些电荷可能会被困在晶体管结构的特定区域中，在开关环境中动作时，会导致导通电阻增加[10]。该标准强调了动态导通电阻会产生额外的损耗，从而降低系统的整体效率。因此，在实际应用中，动态导通电阻的存在不仅使得GaN器件的通态损耗无法准确预测和计算，还会对整个系统的可靠性和工作寿命产生影响。 已有文献从器件本体层面研究动态导通电阻发生机理。文献[11]通过对增强型GaN器件的栅极和漏极分别施加脉冲，测试器件在不同高压开关条件下出现的电流崩塌效应程度，得出栅极和漏极诱导的表面陷阱捕获是引起电流崩塌效应的主要原因。文献[12]研究温度、电场、热电子或其组合对电流崩塌的影响程度，通过观察电致发光信号的强弱，发现栅极与漏极之间的存储区中热电子引起的电子捕获是造成电流崩塌的主要原因。文献[13]对比测试了栅极注入晶体管和混合漏极嵌入栅极注入晶体管在断态和半开通态条件下电致发光信号的强弱，得出热电子在电荷捕获中起主要作用，且电流崩塌的改善主要取决于电荷去捕获率而不是热电子捕获率。器件本体层面的研究解释了动态导通电阻现象出现的原因，但难以对器件使用者产生实际的参考意义。 从GaN器件在实际电力电子变换器中应用的角度，已有文献通过搭建优化后的测试平台，测试GaN器件在不同工作条件下的动态导通电阻值，对其影响因素进行研究。文献[14]提出的测试平台可通过调整电路节点连接方式而实现软/硬开关条件切换。文献[15]在传统的双脉冲测试（Double-Pulse Test, DPT）电路中增加了开关器件和二极管，通过改变控制策略，可以实现负载电流可控的DPT电路模式和多脉冲测试（Multiple-Pulse Test, MPT）模式。可测试的影响因素包括电压应力、频率和占空比。文献[16]对传统DPT电路进行优化，通过热电阻控制温度，进而研究温度对动态导通电阻的影响。现有文献中的测试平台可提供的测试变量有限，难以涵盖实际应用中的全部动态导通电阻影响因素，各有侧重但不全面。 测试结果方面，文献[17]在DPT测试平台和MPT测试平台以及实际变换器中分别测试了三款不同厂商生产的600V电压等级的GaN器件：GS66516T（GaN Systems）、PGA26C09DV（Panasonic）及TPH3206PS（Transphorm），得出其动态导通电阻与断态电压应力大小、断态电压应力时间、温度的定性关系。文献[14]分别在DPT和MPT平台测试了Infineon公司的Si MOSFET与GaN Systems公司、Panasonic公司的单体增强型GaN器件在软/硬开关条件下的动态导通电阻，得出开关条件对不同GaN器件动态导通电阻特性的影响不同。文献[15]未详细给出被测器件（Devices Under Te