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，但其特有的動態(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》上撰文，基于動態(tài)導(dǎo)通電阻影響機理分析，提出一種GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺及測試方法；測試了三款同電壓/電流等級、不同結(jié)構(gòu)GaN器件在各影響因素下的動態(tài)導(dǎo)通電阻，分析影響因素占比及動態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律，與機理分析進行對比驗證；最后從器件應(yīng)用角度給出動態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。
該文提出的測試平臺測試變量基本涵蓋實際應(yīng)用中的全部動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素。實驗表明，不同結(jié)構(gòu)GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻特性不同，且占主導(dǎo)的動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素不同。從應(yīng)用層面優(yōu)化動態(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)用場合。然而，其在實際應(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，當切換到開通狀態(tài)時，導(dǎo)通電阻暫時增加、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)律的動態(tài)變化。該現(xiàn)象即為動態(tài)導(dǎo)通電阻。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會（JEDEC）提出的標準對其給出定義：由于GaN器件在應(yīng)用期間會遇到各種應(yīng)力條件，一些電荷可能會被困在晶體管結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域中，在開關(guān)環(huán)境中動作時，會導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加。
該標準強調(diào)了動態(tài)導(dǎo)通電阻會產(chǎn)生額外的損耗，從而降低系統(tǒng)的整體效率。因此，在實際應(yīng)用中，動態(tài)導(dǎo)通電阻的存在不僅使得GaN器件的通態(tài)損耗無法準確預(yù)測和計算，還會對整個系統(tǒng)的可靠性和工作壽命產(chǎn)生影響。
已有文獻從器件本體層面研究動態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機理，雖然從器件本體層面解釋了動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，但難以對器件使用者產(chǎn)生實際的參考意義。從GaN器件在實際電力電子變換器中應(yīng)用的角度，已有文獻通過搭建優(yōu)化后的測試平臺，測試GaN器件在不同工作條件下的動態(tài)導(dǎo)通電阻值，對其影響因素進行研究。
但是現(xiàn)有文獻中的測試平臺可提供的測試變量有限，難以涵蓋實際應(yīng)用中的全部動態(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態(tài)導(dǎo)通電阻變化規(guī)律還有待進一步研究。
北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員從GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻發(fā)生機理分析出發(fā)，確定對該參數(shù)漂移具有主要貢獻作用的影響因素，在此基礎(chǔ)上提出了一種涵蓋所有動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素的綜合測試電路及測試方法。基于該測試平臺，選取不同結(jié)構(gòu)GaN器件，在除溫度外的各影響因素下進行動態(tài)導(dǎo)通電阻精確測試，分析測試結(jié)果，并從應(yīng)用角度給出抑制動態(tài)導(dǎo)通電阻漂移、降低動態(tài)導(dǎo)通電阻造成額外損耗的優(yōu)化方法。
圖1 動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺
研究人員指出，該GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻綜合測試平臺可提供的測試條件，基本涵蓋實際應(yīng)用中會對動態(tài)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生影響的因素?；谠撈脚_及對應(yīng)的測試方法，可以方便且全面地對動態(tài)導(dǎo)通電阻在各影響因素下的變化情況進行精確測試。
圖2 動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素作用效果對比
他們發(fā)現(xiàn)，三種結(jié)構(gòu)GaN器件具有不同的動態(tài)導(dǎo)通電阻特性，隨影響因素變化程度不同，且占主導(dǎo)的動態(tài)導(dǎo)通電阻影響因素不同。其中，普通E-mode型器件動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象最為明顯，改進E-mode型器件次之，Cascode型器件動態(tài)導(dǎo)通電阻現(xiàn)象最不明顯。對于普通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)力幾乎不影響動態(tài)導(dǎo)通電阻；Cascode型器件受開關(guān)條件和負載電流的影響在一定程度均可忽略。
表1被測器件在影響因素下的電阻變化率
研究人員表示，動態(tài)導(dǎo)通電阻會增大通態(tài)損耗，根據(jù)測試結(jié)果，在某些工作條件下，通態(tài)損耗實際值會升高到數(shù)據(jù)手冊典型值2倍以上。因此，從應(yīng)用層面優(yōu)化動態(tài)導(dǎo)通電阻，對于降低通態(tài)損耗、提高效率、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。在實際運用中，應(yīng)綜合器件動態(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)指標前提下，器件動態(tài)導(dǎo)通電阻實現(xiàn)最優(yōu)化。
他們綜合研究結(jié)果，認為應(yīng)該從器件選型、變換器設(shè)計等器件應(yīng)用角度入手，充分發(fā)揮GaN器件優(yōu)勢，并減小其動態(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，針對不同結(jié)構(gòu)GaN器件提出應(yīng)用層面的動態(tài)導(dǎo)通電阻優(yōu)化方法。具體方法如下。
（1）對于普通E-mode型器件，其動態(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可降額使用；改進E-mode型與Cascode型可不考慮電壓應(yīng)力對其動態(tài)導(dǎo)通電阻的影響。
（2）開關(guān)頻率的提升不僅會增大器件開關(guān)損耗，也會增大三種結(jié)構(gòu)GaN器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻、增大通態(tài)損耗，因此，在選取開關(guān)頻率時，需要平衡高頻化帶來的優(yōu)點與引發(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)管在每個周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力時間；當頻率一定時，占空比減小，每個周期內(nèi)斷態(tài)電壓應(yīng)力時間增大，三種結(jié)構(gòu)GaN器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻均隨之增大。此外，在實際變換器中，死區(qū)時間的長短也影響每個周期內(nèi)的斷態(tài)電壓應(yīng)力持續(xù)時間。因此，對三種結(jié)構(gòu)GaN器件設(shè)置占空比與死區(qū)時間時，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)的時間。
（4）在拓撲選擇和開關(guān)條件設(shè)計方面，普通E-mode型與改進E-mode型GaN器件在高頻條件下更適用于軟開關(guān)條件；當受限于拓撲或控制策略而只能實現(xiàn)硬開關(guān)時，Cascode型GaN器件在通態(tài)損耗方面更具優(yōu)勢。
本文編自2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“GaN器件動態(tài)導(dǎo)通電阻精確測試與影響因素分析”。本課題得到國家自然科學(xué)基金面上資助項目的支持。
（來源：電氣新科技）
