北京交大科研團隊提出GaN器件動態導通電阻的精確測試與最佳化方法

GaN器件較傳統Si器件具有耐高壓、耐高溫、導通電阻小和開關損耗小等優勢，但其特有的動態導通電阻現象是限制其大規模應用的主要問題。北京交通大學電氣工程學院的趙方瑋、李豔、魏超、張楠、鄭妍璇，在2022年第18期《電工技術學報》上撰文，基於動態導通電阻影響機理分析，提出一種GaN器件動態導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、不同結構GaN器件在各影響因素下的動態導通電阻，分析影響因素佔比及動態導通電阻變化規律，與機理分析進行對比驗證；最後從器件應用角度給出動態導通電阻最佳化方法。

該文提出的測試平臺測試變數基本涵蓋實際應用中的全部動態導通電阻影響因素。實驗表明，不同結構GaN器件動態導通電阻特性不同，且佔主導的動態導通電阻影響因素不同。從應用層面最佳化動態導通電阻，可有效降低通態損耗。

相較於傳統矽（Silicon， Si）器件，氮化鎵（Gallium Nitride， GaN）功率半導體器件因其材料特性可工作於更高的電壓應力、更快的開關頻率，具有更大的溫度容限，更適用於高頻、高功率密度的應用場合。然而，其在實際應用中也存在一系列的可靠性問題和挑戰，其中以電流崩塌效應最為顯著、影響最大。該效應在器件具體引數上表現為動態導通電阻。

GaN器件在關斷狀態承受漏源極高電壓，當切換到開通狀態時，導通電阻暫時增加、最大漏極電流減小；在不同條件下，導通電阻呈現出一定規律的動態變化。該現象即為動態導通電阻。聯合電子裝置工程委員會（JEDEC）提出的標準對其給出定義：由於GaN器件在應用期間會遇到各種應力條件，一些電荷可能會被困在電晶體結構的特定區域中，在開關環境中動作時，會導致導通電阻增加。

該標準強調了動態導通電阻會產生額外的損耗，從而降低系統的整體效率。因此，在實際應用中，動態導通電阻的存在不僅使得GaN器件的通態損耗無法準確預測和計算，還會對整個系統的可靠性和工作壽命產生影響。

已有文獻從器件本體層面研究動態導通電阻發生機理，雖然從器件本體層面解釋了動態導通電阻現象出現的原因，但難以對器件使用者產生實際的參考意義。從GaN器件在實際電力電子變換器中應用的角度，已有文獻透過搭建最佳化後的測試平臺，測試GaN器件在不同工作條件下的動態導通電阻值，對其影響因素進行研究。

但是現有文獻中的測試平臺可提供的測試變數有限，難以涵蓋實際應用中的全部動態導通電阻影響因素，各有側重但不全面。目前，GaN器件結構差異及各影響因素造成的動態導通電阻變化規律還有待進一步研究。

北京交通大學電氣工程學院的研究人員從GaN器件動態導通電阻發生機理分析出發，確定對該引數漂移具有主要貢獻作用的影響因素，在此基礎上提出了一種涵蓋所有動態導通電阻影響因素的綜合測試電路及測試方法。基於該測試平臺，選取不同結構GaN器件，在除溫度外的各影響因素下進行動態導通電阻精確測試，分析測試結果，並從應用角度給出抑制動態導通電阻漂移、降低動態導通電阻造成額外損耗的最佳化方法。

圖1 動態導通電阻綜合測試平臺

研究人員指出，該GaN器件動態導通電阻綜合測試平臺可提供的測試條件，基本涵蓋實際應用中會對動態導通電阻產生影響的因素。基於該平臺及對應的測試方法，可以方便且全面地對動態導通電阻在各影響因素下的變化情況進行精確測試。

圖2 動態導通電阻影響因素作用效果對比

他們發現，三種結構GaN器件具有不同的動態導通電阻特性，隨影響因素變化程度不同，且佔主導的動態導通電阻影響因素不同。其中，普通E-mode型器件動態導通電阻現象最為明顯，改進E-mode型器件次之，Cascode型器件動態導通電阻現象最不明顯。對於普通E-mode型器件，開關頻率、開關條件和斷態電壓應力佔最主導因素；改進E-mode型器件受佔空比影響最大，斷態電壓應力幾乎不影響動態導通電阻；Cascode型器件受開關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，動態導通電阻會增大通態損耗，根據測試結果，在某些工作條件下，通態損耗實際值會升高到資料手冊典型值2倍以上。因此，從應用層面最佳化動態導通電阻，對於降低通態損耗、提高效率、提高系統可靠性具有重要意義。在實際運用中，應綜合器件動態導通電阻特性、電壓、頻率及開關條件設定，以保證在符合系統指標前提下，器件動態導通電阻實現最最佳化。

他們綜合研究結果，認為應該從器件選型、變換器設計等器件應用角度入手，充分發揮GaN器件優勢，並減小其動態導通電阻漂移、抑制通態損耗增加、提升GaN器件應用可靠性，針對不同結構GaN器件提出應用層面的動態導通電阻最佳化方法。具體方法如下。

（1）對於普通E-mode型器件，其動態導通電阻受電壓應力影響程度大，因此，在不考慮器件成本時可降額使用；改進E-mode型與Cascode型可不考慮電壓應力對其動態導通電阻的影響。

（2）開關頻率的提升不僅會增大器件開關損耗，也會增大三種結構GaN器件的動態導通電阻、增大通態損耗，因此，在選取開關頻率時，需要平衡高頻化帶來的優點與引發的損耗問題。

（3）分析可知，開關頻率與佔空比共同決定開關管在每個週期內的斷態電壓應力時間；當頻率一定時，佔空比減小，每個週期內斷態電壓應力時間增大，三種結構GaN器件的動態導通電阻均隨之增大。此外，在實際變換器中，死區時間的長短也影響每個週期內的斷態電壓應力持續時間。因此，對三種結構GaN器件設定佔空比與死區時間時，在滿足系統增益的前提下，均應儘可能縮短其處於斷態的時間。

（4）在拓撲選擇和開關條件設計方面，普通E-mode型與改進E-mode型GaN器件在高頻條件下更適用於軟開關條件；當受限於拓撲或控制策略而只能實現硬開關時，Cascode型GaN器件在通態損耗方面更具優勢。

本文編自2022年第18期《電工技術學報》，論文標題為“GaN器件動態導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基金面上資助專案的支援。