GaN 功率
晶体管的“电流崩溃”行为
虽然 GaN 功率晶体管因其低能量损耗和高功率密度能力而在电力
电子应用中变得越来越流行，但设计工程师仍然对其可靠性存在一些担忧。GaN 功率晶体管的主要问题之一是其动态导通电阻 (RDS(ON)) 在
开关操作期间增加，这种现象称为“电流崩塌”。电流崩塌是施加高漏极关断电压时晶体管结构中捕获电子的结果。在开启事件期间需要时间来清除被捕获的电子，这通过动态 RDS(ON) 测量来表征。动态 RDS(ON) 的增加会降低 GaN 功率晶体管的传导损耗并导致温度升高，从而影响 GaN 功率晶体管和整个系统的可靠性。尽管许多制造商提供“无塌陷”GaN功率晶体管，但工程师仍然担心电流塌陷的影响。因此，不仅器件制造商，电源转换器设计工程师也需要准确评估GaN功率晶体管的动态RDS(ON)。
动态导通电阻面临的挑战
测量 许多工程师都在努力准确评估动态 RDS(ON)。主要有两个原因：1) 过驱动，2) 示波器动态范围的限制。
当我们测量动态 RDS(ON) 时，我们希望将示波器范围设置得足以仅监控通态漏极电压 (VDS(ON))，例如 1V/p，从而为我们提供示波器的分辨率。不幸的是，晶体管是从高漏极关断电压 (VDS(OFF))（例如 400 V）进行切换。如果测量范围不够宽，无法覆盖 VDS(OFF) 和 VDS(ON)，则示波器中的放大器会使波形失真。 ）。这种现象称为示波器“过驱动”[1]，会导致示波器放大器饱和和错误的 VDS(ON) 测量。
因此，我们必须将示波器范围设置得足够宽，以捕获 VDS(OFF) 和 VDS(ON)，以避免输入过驱动。然而，我们这次遇到的问题是示波器动态范围的限制。即使是市场上具有垂直分辨率的高端示波器，在 20 MHz 带宽下也只有大约 9 个有效位数 (ENOB)（注：在大多数情况下，ENOB 是比原始位数更有用的参数）示波器中 ADC 的位。通常，一些原始位低于放大器的本底噪声，导致它们无法使用）。因此，示波器只能识别满量程的1/29 = 1/512。如果 VDS(OFF) 为 400 V，则分辨率将为 400/512 = 0.78 V，这对于动态 RDS(ON) 测量来说是完全不可接受的分辨率。
是德科技测量动态 RDS(ON) 的方法
为了克服 GaN 功率晶体管测试中的这一挑战和其他挑战，是德科技开发了一款定制 GaN 测试板，可与 PD1500A 动态功率器件分析仪和双脉冲测试仪配合使用。为了专门克服示波器动态范围的限制，我们开发了钳位电路。图 1 显示了我们定制的 GaN 测试板。新开发的钳位电路放置在被测设备（DUT）的接口附近。正如我们在之前的文章中讨论的那样，该板还具有是德科技的无焊 DUT 接口、低插入电感电流传感器和可更换栅极电阻器，我们称之为可重复且可靠的 GaN 表征 (R2GC) 技术。
图 1.是德科技采用 R2GC 技术的定制 GaN 测试板。
图 2 显示了钳位电路的简化概念。该电路与 DUT 的输出并联放置。例如，假设 Q1 的电压阈值 (VTH) 为 2V。如果钳位电压设置为 8V，则当 DUT 的 VDS 低于 6V 时，该电路可以测量高达 6V 的电压 VCLAMP。但是，当 VDS 高于 6 V 时，系统测量的电压不超过 6 V。这意味着示波器可以设置在低电压范围（例如 1 V/p），从而为动态 RDS(ON) 测量提供足够的垂直分辨率。JEDEC 的出版物 JEP173 [2] 中也建议了这种使用钳位电路的测试方法。
图 2. 钳位电路的简化示例。
图 3. 通过新开发的带有钳位电路的 GaN 测试板获得的 650 V 额定值 GaN E-HEMT 的导通开关波形。
我们使用市售的 650 V 额定值 GaN E-HEMT（增强型高电子迁移率晶体管）评估了定制 GaN 测试板的性能。图 3 显示了 GaN E-HEMT 在 VDS(OFF) = 400 V、IDS(ON) = 30 A 时的开启波形。黄色波形显示钳位漏极电压 (VCLAMP)，棕色线显示 RDS(ON) ）由 VCLAMP/IDS 使用示波器上的 20 MHz 低通滤波器设置计算得出。黄色波形显示测得的 VDS 被钳位在 4.5 V 左右，并且可以清楚地测量到 2 V 左右的 VDS(ON)。RDS(ON) 波形的峰峰值噪声约为 1 mW（以 VDS(ON) 计算为 30 mV），这比我们上面讨论的原始 VDS 分辨率 0.78 V 得多，足以评估动态 RDS (ON) 对于大多数 GaN 功率晶体管。
图 4. PD1500A（采用新开发的钳位电路）和 B1505A 获得的 100 V/10 mW GaN E-HEMT 动态 RDS(ON) 的测量结果
钳位电路的另一个重要特性是电路的响应时间。在DC-DC转换器等典型电力电子应用中，GaN功率晶体管的开关频率越来越快，已经超过1 MHz。这意味着钳位电路的响应时间应小于几百纳秒，才能在实际工作条件下测量动态 RDS(ON)。钳位电路的元件（例如晶体管和
二极管）本质上具有一定量的结电容和恢复特性，这会降低电路的响应时间。因此，获得钳位电路的快速响应是另一个挑战。
回到图 3，钳位的 VDS 波形（黄色）在导通转换开始后显示出约 50 ns 的负下降。该负下降归因于钳位电路的寄生效应。在此下降之后，钳位的 VDS 显示正确的 VDS(ON) 波形。我们的双脉冲测试系统中钳位电路的响应时间被证明小于 100 ns，这对于大多数应用来说已经足够快了。
我们还将新的动态 RDS(ON) 测试方法与之前的系统（带有 N1267A HVSMU/HCSMU 快速开关的 B1505A）进行了比较。图4显示了两个系统获得的100 V/10 mW GaN E-HEMT的测量结果。由于 B1505A 基于源测量单元 (SMU) 技术，因此测量需要数十微秒才能稳定。另一方面，PD1500A 的钳位电路的响应时间快了约 1000 倍，并成功检测到开启后 100 ns 内发生的电流崩塌行为的快速响应。结果还表明，测得的动态 RDS(ON) 的本底噪声大约比 B1505A 小十倍，证明我们在动态 RDS(ON) 测量方面做了显着改进
为了进一步了解我们的动态 RDS(ON) 测试能力，我们评估了 650 V 额定值 GaN E-HEMT 的动态 RDS(ON) 的关闭脉冲长度和 VDS(OFF) 依赖性。一般来说，当施加更长和更高的 VDS(OFF) 应力时，具有电流崩塌的 GaN 功率晶体管的动态 RDS(ON) 会增加。通过比较双脉冲测试波形的个脉冲和第二个脉冲之间的 RDS(ON) 可以看出电流崩塌的影响。
图 5 显示了双脉冲测试期间 GaN E-HEMT 的动态 RDS(ON) 行为。我们提取了个脉冲（VGS 关闭前 100 ns）和第二个脉冲（VGS 开启后 100 ns）之间的 RDS(ON) 偏差 (ΔRDS(ON))。如图 6 所示，随着施加更长和更高的 VDS(OFF) 应力，ΔRDS(ON) 略有增加，证实我们的双脉冲测试系统可以有效评估 GaN 功率晶体管的电流崩溃。
图 5. 500 V/20 A 下 650 V 额定值 GaN E-HEMT 的动态 RDS(ON) 双脉冲测试结果和 ΔRDS(ON) 提取。
图 6. 650V 额定值 GaN E-HEMT 的关断脉冲长度和 ΔRDS(ON) 与 VDS(OFF) 的相关性
概括
电流崩塌仍然是许多工程师对GaN功率晶体管关心的问题之一，并且由于测试仪器的限制，其评估非常具有挑战性。正如我们在本文中所讨论的，我们成功创建了一个可重复且可靠的双脉冲测试系统，该系统可以通过采用新开发的钳位电路来有效评估 GaN 功率晶体管的动态 RDS(ON)。
