GaN（氮化鎵）器件因其高開(kāi)關(guān)速度、更高的功率密度和效率等能力而在設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器中變得流行，但 GaN 器件的一個(gè)缺點(diǎn)是電流崩潰由于當(dāng)器件關(guān)閉和熱電子效應(yīng)時(shí)被俘獲的電荷。因此 GaN 器件提供 R DSon（動(dòng)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)電阻），這使得 GaN 半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)損耗不可預(yù)測(cè)。捕獲的電荷通過(guò)偏置電壓 V off、偏置時(shí)間 T off以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)下電壓和電流之間的重疊來(lái)測(cè)量。當(dāng)器件開(kāi)啟時(shí)，處于關(guān)閉狀態(tài)的俘獲電荷被釋放，因此開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)間 T on 等參數(shù)、硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)損耗 和溫度會(huì)影響器件動(dòng)態(tài) R DSon從其靜態(tài) R DSon值發(fā)生變化。研究人員試圖觀(guān)察電壓、電流和溫度的變化對(duì)動(dòng)態(tài)R DSon 的影響，可以得出結(jié)論，R DSon比靜態(tài)R DSon提高了50% 。動(dòng)態(tài) R DSon實(shí)際上可以幫助工程師準(zhǔn)確確定電源轉(zhuǎn)換器中的損耗。本文將重點(diǎn)介紹用于測(cè)量動(dòng)態(tài) R DSon的GaN 器件模型價(jià)值。所提出的模型將在高頻和穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行驗(yàn)證。將使用軟開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗哂邢裏犭娮有?yīng)和較少開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)。

GaN-HEMT 動(dòng)態(tài)RDSon

圖 1 顯示了測(cè)量 R DSon 的電路圖。它由三部分組成：器件開(kāi)關(guān)電路 （DSC）、被測(cè)器件 （DUT） 和電壓鉗位電路 （VCC）。圖 2 顯示了測(cè)量電路的原型。DUT 和 DSC 組合形成 H 橋，因此可以通過(guò)控制四個(gè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)來(lái)設(shè)置 DUT的 t on和 t off。VCC 用于提高分辨率。在關(guān)閉狀態(tài)下，M 1兩端的電位將為 V DC且 V DS（m） = -V Th而在 DUT 的開(kāi)啟狀態(tài)下，ΔV = 0 所以 V DS（m） = V DSon。所以不是測(cè)量 V DS，V應(yīng)測(cè)量DS（m）。齊納二極管Z 1和肖特基二極管S 1不允許負(fù)載電流流過(guò)V CC。建議的 V CC將使我們能夠計(jì)算DUT 的 R DSon。

圖 1：測(cè)量電路電路圖

圖 2：測(cè)量電路原型

測(cè)量方法

GaN 半導(dǎo)體器件的動(dòng)態(tài) R DSon值取決于 T on和 T off。為了獲得由于電荷俘獲和解俘而產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù)，R DSon被表征為不同的 T on和 T off。使用的負(fù)載為 RL，死區(qū)時(shí)間為 τ。測(cè)量過(guò)程分為四個(gè)階段，如圖 3 所示。在從 0-T1 的第一階段，DUT 和 T 2 導(dǎo)通，因此 I L為 0。第二階段是 T 1 -T 2，其中 T 2和 T 3處于導(dǎo)通狀態(tài)，在這種情況下， I L被充電在反向循環(huán)中。被測(cè)設(shè)備off是在這個(gè)階段計(jì)算的。第三階段是 T 2 -T 3在這個(gè)階段 T 2 導(dǎo)通并且 DUT 在 T 2上的 ZVS 處導(dǎo)通并開(kāi)始反向傳導(dǎo)，直到 I L達(dá)到 0。在第四階段 T 3 -T 4 DUT 和 T 1都是ON 和 I L改變方向并開(kāi)始正向傳導(dǎo)。因此，DUT的 T on由第三個(gè)和第四個(gè)間隔定義。因此，將R DSON在反向傳導(dǎo)模式可迅速在納米第二從第三級(jí)和將R獲得微秒DSON在正向?qū)Ｊ较驴梢詮牡谒碾A段獲得微秒到秒的時(shí)間。

對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的GaN晶體管是焊料進(jìn)入子板，以確定它的R DSON在V DC=200V和我d = 1個(gè)A.通過(guò)驗(yàn)證?關(guān)閉和T上，R DSON可以得到。由于柵極電壓達(dá)到6V我們的器件打開(kāi)，我們會(huì)盡快［R DSON rapidlyin為50ns。在RDSon值上觀(guān)察到捕獲效應(yīng)，它在 100us 內(nèi)增加了靜態(tài)RDSon值的 25% 。然后直到 1秒它以緩慢的速度增加，從 1-10秒動(dòng)態(tài)RDSon迅速增加 70%，30 秒后穩(wěn)定。在去陷阱效應(yīng)的情況下，R DSon的值下降到 10us，然后在 10ms 后穩(wěn)定，然后再次下降，直到 T on達(dá)到 50s。

圖 3：?jiǎn)蚊}沖控制信號(hào)下的四個(gè)操作階段

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)期間

首先，H 橋在 RL 負(fù)載下運(yùn)行，其中 T1 關(guān)閉，T2 開(kāi)啟，V DC = 200V，IL = 1.3A，f = 100kHz 和 D = 50%。DUT 在反向傳導(dǎo)和軟開(kāi)關(guān)模式下運(yùn)行?？梢钥刂齐娫崔D(zhuǎn)換器操作期間的R DSon變化。R B DSon表示在開(kāi)啟周期開(kāi)始時(shí)測(cè)得的RDSon值，而 R E DSon表示在開(kāi)啟周期結(jié)束時(shí)測(cè)得的RDSon值 。結(jié)果表明，當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，R DSon值緩慢增加至 3s，然后迅速增加至 30s，R DSon值100 秒后穩(wěn)定。在圖 3 中也觀(guān)察到了這種轉(zhuǎn)變。3. 因此，該模型可用于表示功率轉(zhuǎn)換器運(yùn)行期間GaN 器件的瞬態(tài) R DSon值。

不同開(kāi)關(guān)頻率下

在這種情況下，將改變電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率以檢查對(duì) R DSon值的影響。為了提高電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，我們必須減少連接到 GaN 晶體管的損耗，為此我們將使用 LC 負(fù)載而不是使用 RL 負(fù)載。TZCM（梯形電流模式）用于軟開(kāi)關(guān)并實(shí)現(xiàn)添加相移。在 TZCM 中，R DSon是在恒定電流幅度期間測(cè)量的 。頻率從 100kHz 增加到 1MHz。當(dāng) DUT 和 T2 導(dǎo)通且處于反向?qū)Ｊ綍r(shí)，可以測(cè)量R DSon的值。R DSon 的這個(gè)值將被視為 R B DSon.在正向傳導(dǎo)模式下，DUT 和 T1 將導(dǎo)通，I L由 V DC充電。然后 T1 將切換到關(guān)閉狀態(tài)，R DSon的值將在恒定電流幅度下測(cè)量，這實(shí)際上是 R E DSon。結(jié)果表明，當(dāng)電源的開(kāi)關(guān)頻率增加時(shí)，R B DSon和 R E DSon之間的差異會(huì)減小 。實(shí)測(cè)值與模型相差10%左右。

結(jié)論

在文章中，提出了一個(gè)模型來(lái)計(jì)算功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中 GaN-HEMT 器件的動(dòng)態(tài) R DSon值。顯示了一個(gè)測(cè)量電路，用于獲得不同 ON 和 OFF 狀態(tài)下的 R DSon值。根據(jù)建議的模型，設(shè)計(jì)人員可以成功預(yù)測(cè)電源轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。該電路還針對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)和不同的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了測(cè)試。兩個(gè) R DSon的差異小于 10%。已經(jīng)觀(guān)察到，在電源轉(zhuǎn)換器操作期間，RDSon的值會(huì)在 100 秒后穩(wěn)定下來(lái)。

審核編輯：郭婷