技术文章 - 正文
增强型GaN功率器件动态电阻测试分析 2022-03-24 14:49
李瑞，增强型GaN功率器件的动态电阻测试及分析【D】，浙江大学，2019
（转载请注明出处及作者）
半导体器件是电力电子行业发展的重要推动力。作为第三代半导体器件的重要代表，氮化镓（GaN）功率器件凭借优异的材料性能，在高频、高效、高功率密度的电力电子变换领域（如数据中心、新能源汽车、分布式支电、各类消费电子等）具有十分广阔的应用前景和市场机遇。然而，受器件表面陷阱及缓冲层陷阱的影响，目前主流的GaN器件仍然面临着高压开关过程中的动态电阻退化问題，这为基于GaN器件的变换器设计和损耗估算带来了不确定性。因此，对GaN器件在高频开关应用中的动态电阻性能表征成为了近年来学术界和产业界广泛关注和研究的热点。
目前，GaN功率器件动态电阻测试的研究工作主要集中在测试电路设计和不同电路工作条件（如工作电压、电流、温度、频率等）下的量化表征，其测试方法大多可以实现高频快速测试，符合GaN器件的实际应用。然而，这些工作也存在一定的局限性：（１）零电压软开关技术在基于GaN器件的高频功率变换中应用广泛，然而目前应用较广的测试电路只能工作在硬开关模式；（２）目前最先进的商用增强型（E-mode）GaN功率器件主要有两种结构，不同结构在不同工作条件下对动态电阻特性的影响仍需深入研究。
浙江大学李瑞毕业论文提出了一种集软、硬开关于一体的多功能测试电路。在此基础上，采用所提出的双脉冲和多脉冲的测试方法，定量表征了两种不同结构的商用ＧａＮ器件的动态性能。研究发现，在电压应力高至４００Ｖ，开关频率高至１ＭＨｚ的测试条件下，不同结构的GaN器件在软、硬开通条件下表现出截然不同的动态电阻特性，因此在变换器设计和损耗分析时应给予充分关注。
该文章为了进一步解释和验证实验结果，本文相继分析了软、硬开通条件对GaN器件动态电阻产生影响的内部机制，并借助Silvaco仿真工具，搭建了GaN器件物理仿真模型，进一步揭示了目前基于空穴注入的动态电阻抑制方法在软开关工作条件下的局限性，为GaN功率器件在电力电子实际应用中的选型评估提供了重要参考信息。
1、动态电阻退化
ＧａＮ功率器件在中低压领域有着广泛的应用前景和市场机遇，但由于ＧａＮ功率器件技术刚刚起步，在实际应用中仍然面胳着诸多挑战，如阈值电压低，栅压摆幅冗余度小，抗干扰能力差；阈值电压漂移，影响长期工作稳定性；存在动态电阻退化现象，增大器件导通损耗等。其中，动态电阻退化是制约ＧａＮ功率器件大规模应用的最严峻的问題之一。
动态电阻退化（ＤｙｎａｍｉｃＲｄｓｏｎＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎ），又称作电流崩塌（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｌｌａｐｓｅ），是平面型ＧａＮ器件中普遍存在的一种可靠性问题，指的是ＧａＮ器件在开关状态下，由干器件表面陷阱、异质外延层体陷阱所引起的沟道载流子部分耗尽，而造成的器件导通电阻和导通损耗增加的现象。也就是说，GaN器件在承受一段时间高压偏置后再切换到开通状态，实际的导通电压会高于理想值（如图１.３所示）。研究表明，随着器件开通时间的增加，导通电阻会逐渐衰减，在足够长的时间之后最终恢复到理想的导通电阻值（静态值），这个恢复时间目前还没有确切的说法，通常在10-1~10３秒之间。而在实际的电力电子应用中，开关器件需要不断地在开通和关断状态之间高速切换，其开关频率往往主在百ｋＨｚ以上，这意味着在每个工作周期内器件导通的时间都很短，不足以使导通电阻恢复至静态值。因此，在高频变换器应用中，由动态电阻遐化带来的导通电阻增加现象将十分显著，这会大大增加器件的功率损耗，降低器件的工作效率，严重制约ＧａＮ功率的器件广泛应用。
以器件导通损耗的估算为洌，对于电路工程师来说，在设计基于Ｓｉ或ＳｉＣ器件的电力电子变换器时，可以通过器件手册上提供的导通电阻值来估算导通损耗。但对于ＧａＮ器件来说，器泮手册上给尚的往往是静态条件下的导通电阻值，通常比动态电阻低１０％~９０％不等，甚至会低几倍，因此在设计基于ＧａＮ器件的变换器时，常常会出现实际损耗高于理论计算值的现象。随着工作电压和工作頻率的增加，导通损耗会显著增加，大大降低了器件的工作效率。
2、硬开关、软开关条件下的双脉冲测试
双脉冲测试电路，作为功率器件动态性能评估的传统方案，成为了GaN器件动态电阻测试中普遍采用的电路载体。基于该电路的研究热点主要集中在一些关键电路参数（如阻断时间、阻断电压、工作电流、温度、频率、占空比和门极电压等）对动态电阻的影响，为ＧａＮ器件在高频开关应用中的损耗估算提供了重要的参考信息。然而以上工作存在一定的局限性：一方面，被测器件在双脉冲测试电路中始终工作在硬开关条件下，无法评估其在软开关条件下的动态性能。另一方面，GaN器件凭借极低的关断损耗和反向恢复为零的优异性能，被广泛应用在高频软开关电路中，因此，对其在软开关条件下的动态电阻特性评估同样重要。
为此，麻省理工大学电气工程反计算机科学系的研究团队较早评估了开关状态对GaN器件动态电阻的影响，比较了在软、硬开通条件下，动态电阻随电压应力的变化情况１％。然而，其中的硬开关测试电路采用了阻性负载，与器件在电力电子应用中的实际工作条件有所偏差；所采用的软开关测试电路利用电感、电容谐振实现软开关，导致被测器件关断时承受的电压为正弦波而非方波，从而无法明确器件实际承受的电压应力。
汉阳大学电子系统工程系的研究人员提出了一种基于谐振软开关的动态电阻测试电路，但该电路需要较多的辅助元件并且需要特定的电路结构，测试方法的灵活性和可移植性不高。亚利桑那州立大学的研究人员在沿用双脉冲测试电路作为硬开关电路的基础上，釆用了零电压转换（ＺＶＴ）电路实现软开关，并可以方便灵活地实现软、硬开关电路的相互转换。其研究重点在于测试板的设计及功能验证，并没有全面评估和分析ＧａＮ器件在不同实验条件下的动态电阻特性。
除此之外，国内外一些电力电子器件设计研究团队也曾做过相关研究。香港科技大学的Ｋｅｖｉｎ教授组研究了硬开关和软开关条件下，驱动电压ＶＧＳ对ＧａＮ器件动态电阻的影响并分别绐出了相应条件下驱动电压的推荐值。但该工作侧重于研究器件的门极特性，对软、硬开关条件的具体影响研究较少。TI公司通过单独控制门极和漏极电压，比较了被测器件在硬开关和软开关条件下的动态电阻特性，并对实验结果进行了分析，安森美公司也曾做过相似的研究。但以上工作更侧重于研究器件的物理机制而非电路应用，且被测器件仍处于实验室研发阶段，无法反映目前商用GaN功率器件的整体水平。
3、多脉冲测试
ＧａＮ器件的动态电阻現象来源于内部陷阱对电子的浮获效应。电子俘获效应与器件关断和开通的时间有关，器件关断时间被认为是电子俘获时间，器件开通时间被认为是电子释放时间。在电子俘获时间里，导通电阻按照一定的时间常数增加：在电子释放时间里，导通电阻按照一定的时间常数減小，如此反复。事实上，这一电子俘获和释放的过程可以用一系列时间常数不同的阻容网络的充放电过程来表示，这说明动态电阻会随着器件的开通和关断而不断变化。
在实际的电力电子应用中，开关器件可能工作在不同的频率和占空比下，这导致了不同的电子俘获和释放时间，也就导致了不同的动态电阻变化过程，给损耗估算带来了不确定性。多脉冲测试方法，用来模拟ＧａＮ器件在实际工作状态下的动态电阻变化情况。采用多脉冲而非连续脉冲是为了避免由于器件温度升高而带来的导通电阻增加，提高测试结果的准确性和可比性。
多脉冲测试更贴合实际应用，结果更可靠。受陷阱时间常数的影响，ＧａＮ器件的动态电阻会随开关次数的增加而变化并逐渐趋于稳定，因此，传统动态测试中采用的单脉冲或双脉冲测试方法在评估ＧａＮ器件的动态电阻时具有一定的片面性，相比较而言，多脉冲测试工作在准稳态，可以模拟实际变换器的工况，更能全面有效地反映ＧａＮ器件在实际应用中的动态电阻变化情况。
4、关断、开通时电压测试
动态电阻测试的测试对象为ＧａＮ器件从高压阻断状态切换到开通状态后的导通电阻。这需要分别测量器件漏极和源极之间的导通电压和导通电流，再将二者相除。在实际测量过程中，为了尽可能准确地提取出器件的导通电阻值，每个测量环节都需要一定的筛选和考量。
测量器件的导通电压一般采用高精度数字示波器，为了同时测量器件关断时的高电压和开通时的低电压，示波器的测量范围要足够宽，否则，示波器内部的放大器会失真，产生过驱动现象，导致无法准确测量导通电压。然而，在如此大的电压摆幅下，示波器会受到分辨率的限制，使测量结果产生较大误差。例如，一个８位示波器的模数转换器可以提供２８＝２５６个量化电平，假设器件关断时承担的电压为４００Ｖ，开通电压为1Ｖ，则示波器能分辨的最小电压为４００／２５６＝１.５６Ｖ，可见，在这种情况下，示波器测量值并不能反映出器件真实的导通电压。
一种解决方法是采用更高精度的数字示波器，如１２位示波器，那么示波器能分辨的最小电压为４００／２ｌ２＝０．０９８Ｖ，精度提高了１６涪。然而，这样一台高精度示波器十分昂贵，为此专门购置成本过高。
另一种解决方法是采用电压钳位电路。由于成本低，电路灵活性高，这种方法被国内外研究者普遍采用。电压钳位电路的原理是将器件关断时的电压钳位在更小的数值，以此来减小电压摆幅。比如将关断时的４００Ｖ电压钳位在４Ｖ，则对于８位示波器来说，其能分辨的最小电压为４／２５６＝０．０１６Ｖ，精度提高了１００倍。但是，钳位电路的使用也会带来新的问题，比如线路中的寄生参数会引起测量的振荡和延时，特别是在高频高压情况下，这些问题会更显著。
因此，钳位电路设计的难点在于既要准确测出导通电压，又要在器件开通后尽快捕捉到导通电压变化，减小振荡和延时，特别是对于ＧａＮ这样的高频器件，钳位电路的设计尤为重要。
5、导通电流测试
在宽禁带器件的动态性能测试中，电流测量需要满足一定的要求。
首先，为了准确跟踪高速开关瞬态的上升和下降沿，测试设备要具有足够大的带宽。根据信号理论，一个上升时间为tｒ或下降时间为tf的斜坡信号的有效带宽可以表示为
在实际应用中，为了测量出准确的幅值，测量系统带宽需要比被测信号的有效带宽高出３到５倍，考虑相位的准确度的话则需要高出１０倍对于高速ＧａＮ器件来说，其上升时间或下降时间通常只有几纳秒，假设上升时间为５ｎｓ，则有效带宽为７０ＭＨｚ，取３倍裕量，则测量系统带宽至少应为２１０ＭＨｚ。
其次，测量设备需具言足够的量程范围和灵敏度。假设测量设备的灵敏度为１０ｍＶ／Ａ，那么当被测电流为１Ａ时，显示在示波器上的电压只有10mＶ，受示波器分辨率的限制，这将产生较大的测量误差。通常来讲，测量设备的量程越小，灵敏度越高。因此在选择测量设备时，需根据被测电流的大小，选择合适的量程范围，确保在测量大电流时不会发生饱和，同时在测量小电流时又具有足够的精度。
另外，还要考虑测量设备对测试电路带来的影响。有些测量设备（如同轴电阻）会在电流回路中引入额外的寄生电感，对器件的开关性能造成影响。另外，如果在测董电流的同时又需要测量电压，而电压、电流测试点不共地时，则需要考虑电气隔离的电流测量方案。
通过对比可以发现，同轴电阻的带宽最高，精度最高，并且利用内外导体电流方向相反，磁场相互抵消的方式实现了无感电阻，因此，它也是目前宽禁带器件动态性能测试中最为普遍，最受认可的电流测量方法。
6、电压、电流延迟校准
每一种电压、电流探头都具有一定的传播延时，虽然这些延时通常只有几纳秒，但对于ＧａＮ这样的高速器件而言，如果补偿不当，将会造成严重的时间失调，最终导致错误的测试结论。因此，为了保证动态电阻测试结果的准确性，測量前需要对电压、电流探头的延迟迸行补偿或校准。
（转载请注明出处及作者）
半导体器件是电力电子行业发展的重要推动力。作为第三代半导体器件的重要代表，氮化镓（GaN）功率器件凭借优异的材料性能，在高频、高效、高功率密度的电力电子变换领域（如数据中心、新能源汽车、分布式支电、各类消费电子等）具有十分广阔的应用前景和市场机遇。然而，受器件表面陷阱及缓冲层陷阱的影响，目前主流的GaN器件仍然面临着高压开关过程中的动态电阻退化问題，这为基于GaN器件的变换器设计和损耗估算带来了不确定性。因此，对GaN器件在高频开关应用中的动态电阻性能表征成为了近年来学术界和产业界广泛关注和研究的热点。
目前，GaN功率器件动态电阻测试的研究工作主要集中在测试电路设计和不同电路工作条件（如工作电压、电流、温度、频率等）下的量化表征，其测试方法大多可以实现高频快速测试，符合GaN器件的实际应用。然而，这些工作也存在一定的局限性：（１）零电压软开关技术在基于GaN器件的高频功率变换中应用广泛，然而目前应用较广的测试电路只能工作在硬开关模式；（２）目前最先进的商用增强型（E-mode）GaN功率器件主要有两种结构，不同结构在不同工作条件下对动态电阻特性的影响仍需深入研究。
浙江大学李瑞毕业论文提出了一种集软、硬开关于一体的多功能测试电路。在此基础上，采用所提出的双脉冲和多脉冲的测试方法，定量表征了两种不同结构的商用ＧａＮ器件的动态性能。研究发现，在电压应力高至４００Ｖ，开关频率高至１ＭＨｚ的测试条件下，不同结构的GaN器件在软、硬开通条件下表现出截然不同的动态电阻特性，因此在变换器设计和损耗分析时应给予充分关注。
该文章为了进一步解释和验证实验结果，本文相继分析了软、硬开通条件对GaN器件动态电阻产生影响的内部机制，并借助Silvaco仿真工具，搭建了GaN器件物理仿真模型，进一步揭示了目前基于空穴注入的动态电阻抑制方法在软开关工作条件下的局限性，为GaN功率器件在电力电子实际应用中的选型评估提供了重要参考信息。
1、动态电阻退化
ＧａＮ功率器件在中低压领域有着广泛的应用前景和市场机遇，但由于ＧａＮ功率器件技术刚刚起步，在实际应用中仍然面胳着诸多挑战，如阈值电压低，栅压摆幅冗余度小，抗干扰能力差；阈值电压漂移，影响长期工作稳定性；存在动态电阻退化现象，增大器件导通损耗等。其中，动态电阻退化是制约ＧａＮ功率器件大规模应用的最严峻的问題之一。
以器件导通损耗的估算为洌，对于电路工程师来说，在设计基于Ｓｉ或ＳｉＣ器件的电力电子变换器时，可以通过器件手册上提供的导通电阻值来估算导通损耗。但对于ＧａＮ器件来说，器泮手册上给尚的往往是静态条件下的导通电阻值，通常比动态电阻低１０％~９０％不等，甚至会低几倍，因此在设计基于ＧａＮ器件的变换器时，常常会出现实际损耗高于理论计算值的现象。随着工作电压和工作頻率的增加，导通损耗会显著增加，大大降低了器件的工作效率。
2、硬开关、软开关条件下的双脉冲测试
双脉冲测试电路，作为功率器件动态性能评估的传统方案，成为了GaN器件动态电阻测试中普遍采用的电路载体。基于该电路的研究热点主要集中在一些关键电路参数（如阻断时间、阻断电压、工作电流、温度、频率、占空比和门极电压等）对动态电阻的影响，为ＧａＮ器件在高频开关应用中的损耗估算提供了重要的参考信息。然而以上工作存在一定的局限性：一方面，被测器件在双脉冲测试电路中始终工作在硬开关条件下，无法评估其在软开关条件下的动态性能。另一方面，GaN器件凭借极低的关断损耗和反向恢复为零的优异性能，被广泛应用在高频软开关电路中，因此，对其在软开关条件下的动态电阻特性评估同样重要。
为此，麻省理工大学电气工程反计算机科学系的研究团队较早评估了开关状态对GaN器件动态电阻的影响，比较了在软、硬开通条件下，动态电阻随电压应力的变化情况１％。然而，其中的硬开关测试电路采用了阻性负载，与器件在电力电子应用中的实际工作条件有所偏差；所采用的软开关测试电路利用电感、电容谐振实现软开关，导致被测器件关断时承受的电压为正弦波而非方波，从而无法明确器件实际承受的电压应力。
汉阳大学电子系统工程系的研究人员提出了一种基于谐振软开关的动态电阻测试电路，但该电路需要较多的辅助元件并且需要特定的电路结构，测试方法的灵活性和可移植性不高。亚利桑那州立大学的研究人员在沿用双脉冲测试电路作为硬开关电路的基础上，釆用了零电压转换（ＺＶＴ）电路实现软开关，并可以方便灵活地实现软、硬开关电路的相互转换。其研究重点在于测试板的设计及功能验证，并没有全面评估和分析ＧａＮ器件在不同实验条件下的动态电阻特性。
除此之外，国内外一些电力电子器件设计研究团队也曾做过相关研究。香港科技大学的Ｋｅｖｉｎ教授组研究了硬开关和软开关条件下，驱动电压ＶＧＳ对ＧａＮ器件动态电阻的影响并分别绐出了相应条件下驱动电压的推荐值。但该工作侧重于研究器件的门极特性，对软、硬开关条件的具体影响研究较少。TI公司通过单独控制门极和漏极电压，比较了被测器件在硬开关和软开关条件下的动态电阻特性，并对实验结果进行了分析，安森美公司也曾做过相似的研究。但以上工作更侧重于研究器件的物理机制而非电路应用，且被测器件仍处于实验室研发阶段，无法反映目前商用GaN功率器件的整体水平。
3、多脉冲测试
ＧａＮ器件的动态电阻現象来源于内部陷阱对电子的浮获效应。电子俘获效应与器件关断和开通的时间有关，器件关断时间被认为是电子俘获时间，器件开通时间被认为是电子释放时间。在电子俘获时间里，导通电阻按照一定的时间常数增加：在电子释放时间里，导通电阻按照一定的时间常数減小，如此反复。事实上，这一电子俘获和释放的过程可以用一系列时间常数不同的阻容网络的充放电过程来表示，这说明动态电阻会随着器件的开通和关断而不断变化。
在实际的电力电子应用中，开关器件可能工作在不同的频率和占空比下，这导致了不同的电子俘获和释放时间，也就导致了不同的动态电阻变化过程，给损耗估算带来了不确定性。多脉冲测试方法，用来模拟ＧａＮ器件在实际工作状态下的动态电阻变化情况。采用多脉冲而非连续脉冲是为了避免由于器件温度升高而带来的导通电阻增加，提高测试结果的准确性和可比性。
多脉冲测试更贴合实际应用，结果更可靠。受陷阱时间常数的影响，ＧａＮ器件的动态电阻会随开关次数的增加而变化并逐渐趋于稳定，因此，传统动态测试中采用的单脉冲或双脉冲测试方法在评估ＧａＮ器件的动态电阻时具有一定的片面性，相比较而言，多脉冲测试工作在准稳态，可以模拟实际变换器的工况，更能全面有效地反映ＧａＮ器件在实际应用中的动态电阻变化情况。
4、关断、开通时电压测试
动态电阻测试的测试对象为ＧａＮ器件从高压阻断状态切换到开通状态后的导通电阻。这需要分别测量器件漏极和源极之间的导通电压和导通电流，再将二者相除。在实际测量过程中，为了尽可能准确地提取出器件的导通电阻值，每个测量环节都需要一定的筛选和考量。
测量器件的导通电压一般采用高精度数字示波器，为了同时测量器件关断时的高电压和开通时的低电压，示波器的测量范围要足够宽，否则，示波器内部的放大器会失真，产生过驱动现象，导致无法准确测量导通电压。然而，在如此大的电压摆幅下，示波器会受到分辨率的限制，使测量结果产生较大误差。例如，一个８位示波器的模数转换器可以提供２８＝２５６个量化电平，假设器件关断时承担的电压为４００Ｖ，开通电压为1Ｖ，则示波器能分辨的最小电压为４００／２５６＝１.５６Ｖ，可见，在这种情况下，示波器测量值并不能反映出器件真实的导通电压。
一种解决方法是采用更高精度的数字示波器，如１２位示波器，那么示波器能分辨的最小电压为４００／２ｌ２＝０．０９８Ｖ，精度提高了１６涪。然而，这样一台高精度示波器十分昂贵，为此专门购置成本过高。
另一种解决方法是采用电压钳位电路。由于成本低，电路灵活性高，这种方法被国内外研究者普遍采用。电压钳位电路的原理是将器件关断时的电压钳位在更小的数值，以此来减小电压摆幅。比如将关断时的４００Ｖ电压钳位在４Ｖ，则对于８位示波器来说，其能分辨的最小电压为４／２５６＝０．０１６Ｖ，精度提高了１００倍。但是，钳位电路的使用也会带来新的问题，比如线路中的寄生参数会引起测量的振荡和延时，特别是在高频高压情况下，这些问题会更显著。
因此，钳位电路设计的难点在于既要准确测出导通电压，又要在器件开通后尽快捕捉到导通电压变化，减小振荡和延时，特别是对于ＧａＮ这样的高频器件，钳位电路的设计尤为重要。
5、导通电流测试
在宽禁带器件的动态性能测试中，电流测量需要满足一定的要求。
首先，为了准确跟踪高速开关瞬态的上升和下降沿，测试设备要具有足够大的带宽。根据信号理论，一个上升时间为tｒ或下降时间为tf的斜坡信号的有效带宽可以表示为
其次，测量设备需具言足够的量程范围和灵敏度。假设测量设备的灵敏度为１０ｍＶ／Ａ，那么当被测电流为１Ａ时，显示在示波器上的电压只有10mＶ，受示波器分辨率的限制，这将产生较大的测量误差。通常来讲，测量设备的量程越小，灵敏度越高。因此在选择测量设备时，需根据被测电流的大小，选择合适的量程范围，确保在测量大电流时不会发生饱和，同时在测量小电流时又具有足够的精度。
另外，还要考虑测量设备对测试电路带来的影响。有些测量设备（如同轴电阻）会在电流回路中引入额外的寄生电感，对器件的开关性能造成影响。另外，如果在测董电流的同时又需要测量电压，而电压、电流测试点不共地时，则需要考虑电气隔离的电流测量方案。
6、电压、电流延迟校准
每一种电压、电流探头都具有一定的传播延时，虽然这些延时通常只有几纳秒，但对于ＧａＮ这样的高速器件而言，如果补偿不当，将会造成严重的时间失调，最终导致错误的测试结论。因此，为了保证动态电阻测试结果的准确性，測量前需要对电压、电流探头的延迟迸行补偿或校准。
上一篇：没有了
