GaN功率晶體管的動態(tài)導(dǎo)通電阻測量技術(shù)的挑戰(zhàn)和方法

1、GaN*率晶體管的動態(tài)導(dǎo)通電阻測量技 術(shù)的挑戰(zhàn)和方法動態(tài)導(dǎo)通電阻對于GaN功率晶體管的可靠和穩(wěn)定運行至關(guān) 重要。然而，許多工程師都在努力評估動態(tài)RDS(ON),因為很難以足夠的分辨率對其進行一致 Wo在本文中，我們將討論使用 帶鉗位電路的雙脈沖測試系統(tǒng)測量動態(tài)RDS(ON)的技術(shù)GaN功率晶體管的“電流崩潰”行為雖然GaN功率品便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 有一些擔憂。GaN功率晶體管的關(guān)鍵問題之一是它們在開光操作 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”。當施加高漏極關(guān)斷電壓時，電流崩潰是晶體管結(jié)構(gòu)

2、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)損耗弁導(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/j率晶體管，但工程師們?nèi)匀粨碾娏魉莸挠绊?。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)。動態(tài)導(dǎo)通電阻的挑戰(zhàn)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(V

3、DS(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，為體管正在從高漏 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，E

4、NOB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。是德科技測量動態(tài)RDS(ON)的方法為了克服測試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

5、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 選，我們稱之為可重復(fù)和可靠的 GaN表征(R2GC)技術(shù)。Soldcrless DUT interface& Heaterclamp circuitReplaceable gat-飛受弓to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 弁聯(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DUT的VDS低于6 V 時，該電路 可以準確測量高達 6 V的電壓VCL

6、AMP但是，當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3754670Results10.0 AjlQ .O A2 00 VIxo VIs.oo mu/80.0 muX scale9 hit/HE171J9%Hist 3TOD6 mu* 1SCoflwt0位Hifl2ja%Hist p-p1.05皆Hi討 rnron69J054? mt.3100%Hht FWHMirin電子皮益反心啃

7、 1ddi drM25207 irjHhiT6s35 miHK mip ixuwHi sic gram圖3.新開發(fā)的帶有鉗位電路的GaN測試板獲得的650V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

8、位在4.5V左右，弁且清楚地測量了 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。30c 0.010.11101001000Elapsed Time from Turn-on (ips)Response time of the clamp circuit 50 nsResponse time of SMUs 60 ps250 5105 cETNg&B圖4. PD1500A (帶有新開發(fā)的鉗位電路)和 B150

9、5A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專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)o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

10、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100ns,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/HCSM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，弁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

11、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

12、后100 ns)之間的RDS(ON)( A RDS(ON)偏差。 如圖6所示，A RDS(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。1中例DSON)05(0 N2nd pU $em fiS Rih，hhigo m/A45.0 pS-5.00 w1st OnOff pulse 2nd On0 5.00 MS/ 0.0 s-I 口|。|5.00 eV/A/ 65.口 mV/A Q7Q.Q m/A65.0 iti/A55.0 m/A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 ARDS(ON)提取。/ Rqsiqm Vc(s(0fi：)dependen