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雖然 GaN 功率晶體管因其低能量損耗和高功率密度能力而在電力電子應(yīng)用中越來越受歡迎，但設(shè)計工程師仍然對其可靠性有一些擔(dān)憂。GaN 功率晶體管的關(guān)鍵問題之一是它們在開關(guān)操作期間的動態(tài)導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 增加，這種現(xiàn)象稱為“電流崩潰”。當(dāng)施加高漏極關(guān)斷電壓時，電流崩潰是晶體管結(jié)構(gòu)中被俘獲電子的結(jié)果。在開啟事件期間清除被捕獲的電子需要時間，其特征在于動態(tài) RDS(ON) 測量。增加的動態(tài) RDS(ON) 會降低 GaN 功率晶體管的傳導(dǎo)損耗并導(dǎo)致更高的溫度，這會影響 GaN 功率晶體管和整個系統(tǒng)的可靠性。雖然很多廠商提供“無塌陷”的GaN功率晶體管，但工程師們?nèi)匀粨?dān)心電流塌陷的影響。因此，不僅器件制造商，電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計工程師也需要準確評估 GaN 功率晶體管的動態(tài) RDS(ON)。
測量 許多工程師都在努力準確評估動態(tài) RDS(ON)。主要有兩個原因：1）過驅(qū)動，2）示波器動態(tài)范圍的限制。
當(dāng)我們測量動態(tài) RDS(ON) 時，我們希望將示波器范圍設(shè)置為剛好足以監(jiān)控導(dǎo)通漏極電壓 (VDS(ON))，例如 1V/div，從而為我們提供示波器的最佳分辨率。不幸的是，晶體管正在從高漏極關(guān)斷電壓 (VDS(OFF)) 切換，例如 400 V。如果測量范圍不足以覆蓋 VDS(OFF) 和 VDS(ON)，示波器中的放大器會使波形失真）。這種現(xiàn)象稱為示波器 [1] 的“過驅(qū)動”，會導(dǎo)致示波器放大器飽和和錯誤的 VDS(ON) 測量。
因此，我們必須將示波器范圍設(shè)置得足夠?qū)捯圆东@ VDS(OFF) 和 VDS(ON)，以避免輸入過驅(qū)動。但是，這次我們遇到的問題是示波器的動態(tài)范圍有限。即使是市場上具有最高垂直分辨率的高端示波器，在 20 MHz 帶寬下也只有大約 9 個有效位數(shù) (ENOB)（注意：在大多數(shù)情況下，ENOB 是比原始數(shù)字更有用的參數(shù)ADC?的位數(shù)。通常，一些原始位低于放大器的本底噪聲，使它們無法使用）。因此，示波器只能識別滿量程的 1/29 = 1/512。如果 VDS(OFF) 為 400 V，則最小分辨率將為 400/512 = 0.78 V，這是動態(tài) RDS(ON) 測量完全不可接受的分辨率。
為了克服測試 GaN 功率晶體管時的這一挑戰(zhàn)和其他挑戰(zhàn)，是德科技開發(fā)了一款定制的 GaN 測試板，以與 PD1500A 動態(tài)功率器件分析儀和雙脈沖測試儀配合使用。為了專門克服示波器動態(tài)范圍的限制，我們開發(fā)了鉗位電路。圖 1 顯示了我們定制的 GaN 測試板。新開發(fā)的鉗位電路放置在被測設(shè)備 (DUT) 的接口附近。正如我們在之前的文章中所討論的，該板還具有是德科技的無焊 DUT 接口、低插入電感電流傳感器和可更換的柵極電阻器，我們稱之為可重復(fù)和可靠的 GaN 表征 (R2GC) 技術(shù)。
圖 1. 是德科技定制的采用 R2GC 技術(shù)的 GaN 測試板。
圖 2 顯示了鉗位電路的簡化概念。該電路與 DUT 的輸出并聯(lián)放置。例如，假設(shè) Q1 的電壓閾值 (VTH) 為 2 V。如果鉗位電壓設(shè)置為 8 V，那么當(dāng) DUT 的 VDS 低于 6 V 時，該電路可以準確測量高達 6 V 的電壓 VCLAMP。但是, 當(dāng) VDS 高于 6 V 時，系統(tǒng)測量不超過 6 V。這意味著示波器可以設(shè)置在低電壓范圍，例如 1 V/div，這為動態(tài) RDS(ON) 測量提供了足夠的垂直分辨率. JEDEC 的出版物 JEP173 [2] 中也建議了這種使用鉗位電路的測試方法。
圖 2. 鉗位電路的簡化示例。
圖 3. 新開發(fā)的帶有鉗位電路的 GaN 測試板獲得的 650 V 額定 GaN E-HEMT 的開啟開關(guān)波形。
我們使用商用 650 V 額定電壓 GaN E-HEMT（增強模式高電子遷移率晶體管）評估了我們定制的 GaN 測試板的性能。圖 3 顯示了在 VDS(OFF) = 400 V、IDS(ON) = 30 A 時 GaN E-HEMT 開關(guān)的開啟波形。黃色波形顯示了鉗位漏極電壓 (VCLAMP)，棕色線顯示了 RDS(ON) ) 由 VCLAMP/IDS 計算，使用示波器上的 20 MHz 低通濾波器設(shè)置。黃色波形顯示測得的 VDS 被鉗位在 4.5 V 左右，并且清楚地測量了 2 V 左右的 VDS(ON)。RDS(ON) 波形的峰峰值噪聲約為 1 mW（就 VDS(ON) 而言為 30 mV），這比我們上面討論的原始 VDS 分辨率 0.78 V 精確得多，足以評估動態(tài) RDS (ON) 對于大多數(shù) GaN 功率晶體管。
圖 4. PD1500A（帶有新開發(fā)的鉗位電路）和 B1505A 獲得的 100 V/10 mW GaN E-HEMT 動態(tài) RDS(ON) 的測量結(jié)果
鉗位電路的另一個重要特性是電路的響應(yīng)時間。在DC-DC轉(zhuǎn)換器等典型的電力電子應(yīng)用中，GaN功率晶體管的開關(guān)頻率越來越快，已經(jīng)超過1MHz。這意味著鉗位電路的響應(yīng)時間應(yīng)小于幾百納秒，以測量實際工作條件下的動態(tài) RDS(ON)。鉗位電路的元件（如晶體管和二極管）本質(zhì)上具有一定量的結(jié)電容和恢復(fù)特性，這會降低電路的響應(yīng)時間。因此，獲得鉗位電路的快速響應(yīng)是另一個挑戰(zhàn)。
回到圖 3，鉗位 VDS 波形（黃色）在開啟轉(zhuǎn)換剛開始后顯示了大約 50 ns 的負下降。這種負下降歸因于鉗位電路的寄生效應(yīng)。在此下降之后，鉗位 VDS 顯示正確的 VDS(ON) 波形。我們的雙脈沖測試系統(tǒng)中鉗位電路的響應(yīng)時間被證明小于 100 ns，這對于大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠快了。
我們還將我們的新動態(tài) RDS(ON) 測試方法與我們之前的系統(tǒng)（B1505A 與 N1267A HVSMU/HCSMU 快速開關(guān)）進行了比較。圖 4 顯示了兩種系統(tǒng)獲得的 100 V/10 mW GaN E-HEMT 的測量結(jié)果。由于 B1505A 基于源測量單元 (SMU) 技術(shù)，因此測量需要數(shù)十微秒才能穩(wěn)定。另一方面，PD1500A 的鉗位電路的響應(yīng)時間快了大約 1000 倍，并成功檢測了在開啟后 100 ns 內(nèi)發(fā)生的電流崩塌行為的快速響應(yīng)。結(jié)果還表明，所測動態(tài) RDS(ON) 的本底噪聲大約比 B1505A 小十倍，證明我們在動態(tài) RDS(ON) 測量方面做了顯著改進
為了進一步了解我們的動態(tài) RDS(ON) 測試能力，我們評估了 650 V 額定電壓 GaN E-HEMT 的動態(tài) RDS(ON) 的關(guān)斷脈沖長度和 VDS(OFF) 依賴性。一般來說，當(dāng)施加更長和更高的 VDS(OFF)?應(yīng)力時，具有電流崩塌的 GaN 功率晶體管的動態(tài) RDS(ON) 會增加。通過比較雙脈沖測試波形的第一個脈沖和第二個脈沖之間的RDS(ON)，可以看出電流崩塌的影響。
圖 5 顯示了雙脈沖測試期間 GaN E-HEMT 的動態(tài) RDS(ON) 行為。我們提取了第一個脈沖（VGS 關(guān)閉前 100 ns）和第二個脈沖（VGS 打開后 100 ns）之間的 RDS(ON) (ΔRDS(ON)) 偏差。如圖 6 所示，ΔRDS(ON) 隨著施加的 VDS(OFF) 應(yīng)力越長越高而略有增加，證實我們的雙脈沖測試系統(tǒng)可以有效評估 GaN 功率晶體管的電流崩潰。
圖 5. 額定電壓為 650 V 的 GaN E-HEMT 在 500 V/20 A 下的動態(tài) RDS(ON) 雙脈沖測試結(jié)果和 ΔRDS(ON) 提取。
圖 6. 650V 額定電壓 GaN E-HEMT 的 ΔRDS(ON) 的關(guān)斷脈沖長度和 VDS(OFF) 依賴性
電流崩塌仍然是許多工程師對 GaN 功率晶體管的最大擔(dān)憂之一，由于測試儀器的限制，其評估非常具有挑戰(zhàn)性。正如我們在本文中所討論的，我們成功創(chuàng)建了一個可重復(fù)且可靠的雙脈沖測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用新開發(fā)的鉗位電路可以有效評估 GaN 功率晶體管的動態(tài) RDS(ON)。
