GaN-HEMT器件的動態(tài)R DSon值測量實驗分析

GaN（氮化鎵）器件由于具有諸如高開關(guān)速度，更高的功率密度和效率之類的能力而在設(shè)計電源轉(zhuǎn)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(dǎo)致電流崩潰。器件關(guān)閉和熱電子效應(yīng)時會捕獲的電荷。因此，GaN器件提供了RDSon（動態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)電阻），這使得GaN半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)損耗無法預(yù)測。捕獲的電荷通過偏置電壓Voff，偏置時間Toff以及開關(guān)狀態(tài)下電壓和電流之間的重疊來測量[4]。當(dāng)設(shè)備打開時，處于關(guān)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(shù)[5]，硬開關(guān)或軟開關(guān)[6]，開關(guān)損耗[7]和溫度[8]將影響設(shè)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(jié)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(zhǔn)確確定功率轉(zhuǎn)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(jìn)行驗證。將使用軟開關(guān)，因為它具有消除熱電子效應(yīng)的優(yōu)點，并且還具有較小的開關(guān)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(shè)備開關(guān)電路（DSC），被測設(shè)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(jié)合在一起形成H橋，因此可以通過控制四個開關(guān)的信號來設(shè)置DUT的開和關(guān)。VCC用于提高分辨率。在關(guān)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(yīng)該被測量。齊納二極管Z1和肖特基二極管S1不允許負(fù)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(dǎo)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(shù)，RDSon被表征為具有不同的Ton和Toff。使用的負(fù)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(dǎo)通狀態(tài)，因此IL為0。第二階段是T1-T2，其中T2和T3處于導(dǎo)通狀態(tài)，在這種情況下，對IL進(jìn)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?qū)?，直到IL達(dá)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?qū)?。因此，DUT的Ton由第三和第四間隔定義。因此，將RDSON在反向傳導(dǎo)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(nèi)獲得正向傳導(dǎo)模式下的導(dǎo)通。

對于該實驗的GaN晶體管是焊料進(jìn)入子板，以確定它的RDSON在VDC=200V和我d= 1個A.通過驗證?關(guān)閉和T上，RDSON可以得到[1]。當(dāng)柵極電壓達(dá)到6V時，我們的設(shè)備開啟，我們將在50ns內(nèi)迅速獲得RDSon。在RDSon值上觀察到了陷獲效應(yīng)，它在100us內(nèi)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(yīng)，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(dá)到50s。

圖3：在單脈沖控制信號下的四個工作階段

實驗結(jié)果

在瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)下

首先，H橋在RL負(fù)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(dǎo)和軟開關(guān)模式下工作?？梢钥刂乒β兽D(zhuǎn)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(jié)束時測得的RDSon值[1]。結(jié)果表明，當(dāng)電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。3.因此，該模型可用于表示功率轉(zhuǎn)換器工作期間GaN器件的瞬態(tài)RDSon值。

在不同的開關(guān)頻率下

在這種情況下，將改變功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，以檢查對RDSon值的影響。為了提高功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)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(fù)載，我們將使用LC負(fù)載。TZCM（梯形電流模式）用于軟開關(guān)并實現(xiàn)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(dāng)DUT和T2處于導(dǎo)通狀態(tài)且處于反向?qū)Ｊ綍r，可以測量RDSon的值。RDSon的該值將被視為RBDSon。在正向傳導(dǎo)模式下，DUT和T1將導(dǎo)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(jié)果表明，當(dāng)電源的開關(guān)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(jié)論

本文提出了一個模型來計算功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(jù)提出的模型，設(shè)計人員可以成功預(yù)測功率轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。還對該電路進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)和不同開關(guān)頻率的測試。兩個RDSon的差小于10％。已經(jīng)觀察到，在功率轉(zhuǎn)換器操作期間，RDSon的值在100秒后趨于穩(wěn)定。

參考

[1]在高頻功率轉(zhuǎn)換器中對GaN-HEMT動態(tài)導(dǎo)通態(tài)電阻建模在英國諾丁漢大學(xué)的科力電力電子，機(jī)器和控制（PEMC）組中，英國諾丁漢大學(xué)

[2] Huang Q，AQ Huang，R。Yu，P。Liu和W. Yu，“具有GaN AC開關(guān)的高效，高密度單相雙模級聯(lián)降壓-升壓多電平無變壓器PV逆變器， ”《 IEEE電力電子交易》，第1卷。34，第7474-7488頁，2019年8月。

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