GaN（氮化鎵）器件由于具有諸如高開關速度，更高的功率密度和效率之類的能力而在設計電源轉換器時變得越來越流行[2]，[3]，但是GaN器件的一個缺點是電流損耗會導致電流崩潰。器件關閉和熱電子效應時會捕獲的電荷。因此，GaN器件提供了RDSon（動態(tài)導通狀態(tài)電阻），這使得GaN半導體中的傳導損耗無法預測。捕獲的電荷通過偏置電壓Voff，偏置時間Toff以及開關狀態(tài)下電壓和電流之間的重疊來測量[4]。當設備打開時，處于關閉狀態(tài)的俘獲電荷被釋放，因此諸如打開狀態(tài)時間Ton之類的參數[5]，硬開關或軟開關[6]，開關損耗[7]和溫度[8]將影響設備動態(tài)RDSon從其靜態(tài)RDSon值[1]變化。研究人員試圖觀察電壓，電流和溫度變化對動態(tài)RDSon的影響[9]-[12]，可以得出結論，RDSon比靜態(tài)RDSon增加了50％。動態(tài)RDSon實際上可幫助工程師準確確定功率轉換器中的損耗。本文將重點介紹為GaN器件測量動態(tài)RDSon的模型價值。所提出的模型將在高頻和穩(wěn)定狀態(tài)下進行驗證。將使用軟開關，因為它具有消除熱電子效應的優(yōu)點，并且還具有較小的開關損耗。

GaN-HEMT動態(tài)RDSon

圖1示出了用于測量RDSon的電路圖。它由設備開關電路（DSC），被測設備（DUT）和電壓鉗位電路（VCC）[1]組成。圖2顯示了測量電路的原型。DUT和DSC結合在一起形成H橋，因此可以通過控制四個開關的信號來設置DUT的開和關。VCC用于提高分辨率。在關斷狀態(tài)下，M1上的電勢將為VDC，而VDS（m）= -VTh，而在DUT的開通狀態(tài)下，?V = 0，因此VDS（m）= VDSon。因此，代替測量VDS，VDS（m）應該被測量。齊納二極管Z1和肖特基二極管S1不允許負載電流流過VCC。建議的VCC將使我們能夠計算DUT的RDSon[1]。

圖1：測量電路的電路圖

圖2：測量電路的原型

測量方法

GaN半導體器件的動態(tài)RDSon值取決于Ton和Toff[13]，[14]。為了獲得由于電荷的俘獲和去俘獲所引起的時間常數，RDSon被表征為具有不同的Ton和Toff。使用的負載為RL，空載時間為τ。測量過程分為四個階段，如圖3所示。在從0-T1開始的第一階段，DUT和T2處于導通狀態(tài)，因此IL為0。第二階段是T1-T2，其中T2和T3處于導通狀態(tài)，在這種情況下，對IL進行充電在反向循環(huán)中。待測物off是在此階段計算的。第三階段是T2-T3，在此階段T2接通并且DUT在T2的ZVS處接通，并開始反向導通，直到IL達到0。在第四階段T3-T4DUT和T1都為ON和IL改變方向，并開始朝正方向導通。因此，DUT的Ton由第三和第四間隔定義。因此，將RDSON在反向傳導模式可迅速在納米第二從第三級和將R獲得微秒DSON從第四階段開始，可以在微秒到幾秒的時間內獲得正向傳導模式下的導通。

對于該實驗的GaN晶體管是焊料進入子板，以確定它的RDSON在VDC=200V和我d= 1個A.通過驗證?關閉和T上，RDSON可以得到[1]。當柵極電壓達到6V時，我們的設備開啟，我們將在50ns內迅速獲得RDSon。在RDSon值上觀察到了陷獲效應，它在100us內增加了靜態(tài)RDSon值的25％[1]。然后直到1s，它以緩慢的速率增加，從1-10s開始，動態(tài)RDSon迅速增加70％，而在30s之后，它穩(wěn)定下來。如果發(fā)生去陷效應，則RDSon的值下降直到10us，然后在10ms后穩(wěn)定下來，然后再次下降直到Ton達到50s。

圖3：在單脈沖控制信號下的四個工作階段

實驗結果

在瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)下

首先，H橋在RL負載下工作，其中T1為OFF，T2為ON，VDC= 200V，IL= 1.3A，f = 100kHz，D = 50％[1]。DUT在反向傳導和軟開關模式下工作。可以控制功率轉換器工作期間的RDSon變化。RBDSon代表在ON周期開始時測得的RDSon值，REDSon代表在ON周期結束時測得的RDSon值[1]。結果表明，當電源轉換器工作時，RDSon的值緩慢增加直到3s，然后迅速增加直到30s，并且RDSon的值100秒后穩(wěn)定下來。在圖2中也觀察到了這種轉變。3.因此，該模型可用于表示功率轉換器工作期間GaN器件的瞬態(tài)RDSon值。

在不同的開關頻率下

在這種情況下，將改變功率轉換器的開關頻率，以檢查對RDSon值的影響。為了提高功率轉換器的開關頻率，我們必須減少附著在GaN晶體管上的損耗，為此，如果不使用RL負載，我們將使用LC負載。TZCM（梯形電流模式）用于軟開關并實現相移。在TZCM中，RDSon是在恒定電流幅度[1]期間測量的。頻率從100kHz增加到1MHz。當DUT和T2處于導通狀態(tài)且處于反向導通模式時，可以測量RDSon的值。RDSon的該值將被視為RBDSon。在正向傳導模式下，DUT和T1將導通，并且IL由VDC充電。然后T1將變?yōu)镺FF狀態(tài)，并且RDSon的值將在恒定電流幅度下測量，該電流幅度實際上是REDSon。結果表明，當電源的開關頻率增加時，RBDSon和REDSon之間的差異減小[1]。測量值與模型之間的差異約為10％[1]。

結論

本文提出了一個模型來計算功率轉換器應用中GaN-HEMT器件的動態(tài)RDSon值。示出了測量電路，以在不同的ON和OFF狀態(tài)下獲得RDSon值。根據提出的模型，設計人員可以成功預測功率轉換器中的傳導損耗和開關損耗。還對該電路進行了瞬態(tài)響應和不同開關頻率的測試。兩個RDSon的差小于10％。已經觀察到，在功率轉換器操作期間，RDSon的值在100秒后趨于穩(wěn)定。

參考

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