CN108710076A

CN108710076A - 基于AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗自动化提取电路及自动化提取方法

Info

Publication number: CN108710076A
Application number: CN201810506076.XA
Authority: CN
Inventors: 雷建明; 陈敦军; 谢自力
Original assignee: Nanjing Co Ltd Of Nan Great Photoelectric Project Research Institute
Current assignee: Nanjing Co Ltd Of Nan Great Photoelectric Project Research Institute
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2038-05-24
Also published as: CN108710076B

Abstract

本发明公开了一种基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，供电单元一通过串联负载给器件漏极供电，电流监测单元一测量通过器件的电流，驱动单元一为器件提供所需的调制驱动；供电单元二通过恒流源给Q1供电，Q1的栅极与驱动单元二连接，电流监测单元二用于测量通过Q1的电流，驱动单元二为Q1提供驱动，与驱动单元一信号同步，电压监测单元一用于测量Q1漏极电压，电压监测单元二用于测量器件栅极电压。并公开导通阻抗自动化提取方法。本发明采用隔离测量法测量导通阻抗，电路结构简单，监测电压始终为低压；采用双二极管背靠背连接法使二极管的前向导通压降一致；采用特定的极小结电容二极管，可使测量频率与实际电路设计工作频率相同。

Description

基于AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗自动化提取电路及自动化提取方法

技术领域

本发明涉及一种基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路及自动化提取方法。

背景技术

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)是继硅基和碳化硅基MOSFET 之后的新一代宽禁带半导体器件，拥有硅基无可比拟的优越性能，比碳化硅基也要更好，且成本比碳化硅基更便宜。AlGaN/GaN器件具备宽禁带、极化效应和导带不连续性等特点，使得AlGaN/GaNHEMT器件能够制备出具有高耐压、大电流、高耐温、高频、强抗干扰等优越性能的场效应晶体管。AlGaN/GaN HEMT 器件目前是一个新的领域，未来必将引领场效应晶体管的新方向，继续延续摩尔效应的市场规律。

AlGaN/GaN材料自身的自发极化以及晶格常数差异所带来的压电极化和导带不连续性而形成天然的体密度高达1019量级的高浓度二维电子气，使得其导通阻抗非常低。在结构方面，因为二维电子气的存在，AlGaN/GaN HEMT器件在设计时就不用过多地考虑导通阻抗的问题，且层间材料禁带宽、介电常数高，从而可以将结电容控制到非常低的水平，比如AlGaN/GaN HEMT器件的输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反馈电容(Crss)通常分别在数十pF、数十pF、数pF量级，远低于硅基和碳化硅基MOSFET的上千pF、上百pF、上百pF量级，因而在高频性能方面表现卓越。另一方面，宽禁带还带来更低的泄漏电流，这使得其更适合应用于高功率密度、高开关频率的场合。更高频率的出现将使电路应用设计变得更加轻薄化，而具有极小寄生电容的AlGaN/GaN HEMT器件还能同时获得更高的工作效率。

另一方面，目前GaN、AlGaN材料生长产生的高密度缺陷仍困扰着该产业的发展，致使AlGaN/GaN HEMT器件存在一系列的可靠性问题，电气性能主要表现为电流崩塌、动态导通阻抗增加、Kink效应以及栅、漏延迟等。这些可靠性的问题再加上AlGaN/GaN HEMT器件独特的高电压、大电流特点，使得目前基于硅基和碳化硅基MOSFET的测试设备和测量方法都变得不太适用，这必将在AlGaN/GaN HEMT器件产业化的同时还催生一系列新的测试表征方案和设备。比如，为了消除AlGaN/GaN HEMT器件在测试过程中的自热效应，因其高电压、大电流，就需要更小的百ns级脉冲宽度，而在高压和大电流下同时要实现百ns级脉冲宽度就是一个难点。

动态导通阻抗增加是AlGaN/GaN HEMT器件独有的问题之一，主要是由高场下俘获效应引起，也是存在的高密度缺陷带来的困扰。动态导通阻抗的增加将会抵消其导通阻抗小的特点，使得AlGaN/GaN HEMT器件在高频开关电源及相似的领域中使用时的功耗增加，频率越高、漏极关态电压越高，该动态导通阻抗还呈现越高的趋势。因此，提取AlGaN/GaNHEMT器件的动态导通阻抗就非常重要。

AlGaN/GaN HEMT动态工作电路图和工作时序图如图1-2所示，当栅极驱动(Vdrive)为低电平时，器件关断，漏极电压(Vdrain)为高压，比如650V。当栅极驱动为高电平时，器件开通，漏极电压跟随导通沟道电流(Ichannel)。漏极监测电压(Vt)等于漏极电压，则导通阻抗Rdson＝Vdrain/Ichannel。因为 AlGaN/GaN HEMT的导通阻抗很低，通常为mΩ级别，因而此时漏极电压也会非常低，比如200mΩ导通阻抗下流经5A电流就是形成1V电压降。也即是说，漏极电压在整个过程是从1V到650V摆动变化。这么宽的电压变化就导致电压探头既要承受高压，又要有足够的精度去探测低压，目前市场上的探头是很难达到这样的要求，即便能达到价格也非常昂贵。通常使用的高压探头为隔离电压探头，其衰减比例为1:50，这极大的降低了低压探测精度，影响对AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通阻抗的有效评估。

如图3-4所示，参考文献一 (B.Lu and T.Palacios,D.Risbud,S.Bahl,D.I.Anderson,"Extraction of Dynamic On- resistance in GaN Transistors underSoft-and Hard-switching Conditions,"IEEE Com pound Semiconductor IntegratedCircuit Symposium,Nov,2011.doi:10.1109/CSICS. 2011.6062461.)采用限压测量法，Q1始终处于线性导通，使漏极监测电压(Vt) 始终处于低电平状态。当AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动为低电平时，器件关断，漏极电压为高压，漏极监测电压(Vt)由线性导通的Q1和稳压管ZD1钳位到某一设定的低电平，比如5V。当AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动为高电平时，器件开通，漏极监测电压低于ZD1的钳位电压值，漏极监测电压(Vt)经由线性导通的Q1测量漏极电压，因此，Vt＝Vdrain，其测量精度高。

但是，参考文献一的方案存在的问题是：

Q1是MOS管，其线性区很窄，控制不太容易；

Q1因为要承受高压，因此其线性导通阻抗应足够大，因而Q1的导通电流就会受限；

Q1的输出寄生电容Coss大，尤其是在AlGaN/GaN HEMT器件导通时，Q1 的漏极工作电压很低，此时Coss高达数百pF甚至数千pF，而Q1的导通电流在低漏极监测电压(Vt)时极小，极大地会影响到Q1输出寄生电容的Coss放电时间，即如下图阻性负载下所示的脉冲宽度tdc会很宽，使其无法进行高频测试。

如图5所示，参考文献二 (N.Badawi,O.Hilt,E.B.Treidel,J.Bocker,J.Wiirfland S.Dieckerhoff,"Investigation of the Dynamic On-State Resistance of 600VNormally-off and Normally-on GaN H EMTs,"in IEEE Transactions on IndustryApplications,vol.52,no.6,pp.4955-4964,N ov,2016.)采用隔离测量法，D2实现隔离功能，D1和D2为高电压大电流SiC 二极管，使漏极监测电压(Vt)始终处于低电平状态。当AlGaN/GaN HEMT 器件栅极驱动为低电平时，器件关断，漏极电压为高压，漏极监测电压(Vt)被 D2截止隔离，同时，漏极通过D1向C1充电至ZD2的钳位电压，该电压为 AlGaN/GaNHEMT器件开通时提供供电。

当AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动为高电平时，器件开通，漏极监测电压经由D2探测漏极电压，其供电来自C1的储存能量，因此，Vt＝Vdrain+VF_D2 (D2前向导通电压)。

但是，该解决方案的问题是：

C1因为ZD2而处于低压状态，为了给D2提供足够的供电能量，其容值很大，达数百μF。通常漏极测试供电单元需要从低压到高压变化，比如从50V变化到650V，则向C1串联充电的R1电阻就会选取比较大的阻值，那么，在低漏极测试供电时，其充电时间会很长，也即达到稳定工作状态的时间很长。

SiC二极管D2的并联寄生结电容大，尤其是在AlGaN/GaN HEMT器件导通时，D2的工作电压很低，此时结电容高达数百pF，不利于高频化的测试。

为了实现高频化测试，C1通过R2对D2结电容放电的电流要大，因为结电容大，所以，该放电电流会比较大，会在D2上产生自热效应，从而降低动态导通阻抗的测量精度，难以测量小沟道电流时的动态导通阻抗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，可对AlGaN/GaN HEMT器件的阈值和导通阻抗进行快速检测。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，包括：AlGaN/GaN HEMT器件、供电单元一、供电单元二、负载单元、恒流源I1、驱动单元一、驱动单元二、电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二、驱动调制单元、数字控制器、二极管D1、D2和 D3、场效应管Q1，其中供电单元一给AlGaN/GaN HEMT器件的漏极供电，在供电单元一与AlGaN/GaN HEMT器件的漏极之间还串连有负载单元， AlGaN/GaN HEMT器件源极接地，电流监测单元一设置于AlGaN/GaN HEMT器件源极侧，用于测量通过AlGaN/GaN HEMT器件的电流，驱动单元一为 AlGaN/GaN HEMT器件提供所需的调制驱动；

供电单元二与恒流源I1串联，恒流源I1连接到B点，D1的正极连接到B 点，负极连接到AlGaN/GaN HEMT器件的漏极，D3的负极连接到B点，正极接地，D2的正极连接到B点，负极连接到Q1的漏极，Q1的栅极与驱动单元二连接，Q1的源极接地，电流监测单元二设置于Q1源极侧，用于测量通过Q1的电流，驱动单元二为Q1提供所需脉宽调制驱动，使其工作在线性状态，电压监测单元一用于测量Q1漏极电压，电压监测单元二用于测量AlGaN/GaN HEMT 器件栅极驱动电压；

数字控制器用于接收电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二的信号，通过驱动调制单元发送驱动信号到驱动单元一，并将同步的驱动信号发送给驱动单元二，并输出计算结果。

电压监测单元一和二通常采用分压采样的方式来进行监测。

优选的，所述负载单元为纯阻性负载或感性负载。

优选的，所述调制驱动为脉冲驱动、线性驱动或恒流驱动。

优选的，所述D1和D2为相同型号的高压小电流二极管或多个二极管串，结电容小，在2V以下结电容小于40pF。更为理想地，D1和D2应该做在同一封装中，即采用同一个衬底同一种工艺同一批次生产出来。

优选的，D1和D2在相同导通电流下前向总导通电压差异不超过10mV。

优选的，D3为小信号二极管或稳压管。可串联小电阻抑制振荡，也可不串联小电阻，在器件导通瞬间提供一个大电流放电路径，抑制B点负向电压并减小振荡，通常1N4148就非常适用，相似地，更小结电容的该器件更为理想。

优选的，所述驱动调制单元为由数字控制器输出的调制信号，为脉冲信号、线性信号或恒流信号。

优选的，所述数字控制器输出的计算结果为AlGaN/GaN HEMT器件动态导通阻抗。

供电单元二为恒流源I1提供低压供电，恒流源I1可以采用外部可实现恒流源输出功能的设备，也可以是恒流二极管或者其它的恒流控制电路，该恒流源所需电流可以在0.5mA-25mA范围内根据设计需要任意设定。

驱动单元一和二包括逻辑控制、缓冲放大、调制输出以及防止线路振荡并减小EMI问题的驱动回路、放电回路、磁珠等。

并公开了基于上述自动化提取电路的自动化提取方法，其步骤包括：

A、供电单元一通过串联负载单元给AlGaN/GaN HEMT器件供电；

B、供电单元二通过恒流源I₁给场效应管Q1供电；

C、数字控制器通过驱动调制单元发送驱动信号到驱动单元一，并将同步的驱动

信号发送给驱动单元二；

D、电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二分别

检测对应位点的电压或电流，并将信号传给数字控制器；

E、数字控制器根据电压、电流信号计算得到AlGaN/GaN HEMT器件动态导通

阻抗R_dson，计算公式为：

其中V_C由电压监测单元一测得，I_Load由电流监测单元一测得，I1为设定的恒流源电流。

优选的，电压监测单元一和电流监测单元一在被测AlGaN/GaN HEMT器件导通的中间时刻进行采样。

R_dson计算公式的推导过程如下：

V_B＝(I_Load+I₁-I₂)R_dson+V_{F_D1}

V_C＝V_B-V_{F_D2}

当时，V_{F_D1}＝V_{F_D2}

V_B，V_C为B点和C点的电压，V_{F_D1}，V_{F_D2}是D1和D2二极管的前向导通电压，当I₂＝1/2I₁时，说明D1和D2的电流一样，也即D1和D2的前向导通电压一样，最终D1和D2的前向电压被抵消掉。

其中V_C,I_Load,I₂三个参量通过测量获得，I₁参量直接设置。

本发明有益效果如下：

(1)采用隔离测量法，电路结构简单，监测电压始终为低压。

(2)采用双二极管背靠背连接法抵消二极管前向导通压降的影响。

(3)采用电流逐次逼近等值法使二极管的前向导通压降一致，从而无需测量二极管的前向导通压降。

(4)采用特定的极小结电容二极管，串联后结电容进一步减小，提高高频响应，使实现了高频测量。

(5)采用恒流源供电，提高测量一致性和可控性。

(6)通过中值采样法，在被测器件导通的中间时刻进行采样测试，避免了开关振荡的影响。

附图说明

图1为AlGaN/GaN HEMT器件动态工作电路图；

图2为AlGaN/GaN HEMT器件动态工作时序图；

图3为参考文件1的电路示意图；

图4为参考文件1的器件动态工作时序图；

图5为参考文件2的电路示意图；

图6为本发明的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路图。

具体实施方式

实施例1

如图6所示，基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，包括：AlGaN/GaN HEMT器件、供电单元一、供电单元二、负载单元、恒流源I1、驱动单元一、驱动单元二、电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二、驱动调制单元、数字控制器、二极管D1、 D2和D3、场效应管Q1，其中供电单元一给AlGaN/GaN HEMT器件的漏极供电，在供电单元一与AlGaN/GaN HEMT器件的漏极之间还串连有负载单元，负载单元为纯阻性负载或感性负载，AlGaN/GaN HEMT器件源极接地，电流监测单元一设置于AlGaN/GaN HEMT器件源极侧，用于测量通过AlGaN/GaN HEMT 器件的电流，驱动单元一为AlGaN/GaN HEMT器件提供所需的调制驱动；

供电单元二与恒流源I1串联，恒流源I1连接到B点，D1的正极连接到B 点，负极连接到AlGaN/GaN HEMT器件的漏极，D3的负极连接到B点，正极接地，D2的正极连接到B点，负极连接到Q1的漏极，D1和D2为相同型号的高压小电流二极管或多个二极管串，其特点是结电容小，在2V以下结电容应小于40pF，更为理想地，D1和D2应该做在同一封装中，即采用同一个衬底同一种工艺同一批次生产出来，或者尽可能地挑选在相同导通电流下前向总导通电压差异不超过10mV的器件。D3为小信号二极管或稳压管，可串联小电阻抑制振荡，也可不串联小电阻，在器件导通瞬间提供一个大电流放电路径，抑制B点负向电压并减小振荡，通常1N4148就非常适用，相似地，更小结电容的该器件更为理想。

Q1的栅极与驱动单元二连接，Q1的源极接地，电流监测单元二设置于Q1 源极侧，用于测量通过Q1的电流，驱动单元二为Q1提供所需脉宽调制驱动，使其工作在线性状态，电压监测单元一用于测量Q1漏极电压，电压监测单元二用于测量AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动电压；

数字控制器用于接收电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二的信号，通过驱动调制单元发送驱动信号到驱动单元一，驱动调制单元为由数字控制器输出的调制信号，为脉冲信号、线性信号或恒流信号，并将同步的驱动信号发送给驱动单元二，驱动单元一和二为采用脉冲驱动，或为线性驱动，或为恒流驱动，其包括逻辑控制、缓冲放大、调制输出以及防止线路振荡并减小EMI问题的驱动回路、放电回路、磁珠等，数字控制器还输出 AlGaN/GaN HEMT器件动态导通阻抗。

本发明采用隔离测量法，D1实现隔离功能，使漏极监测电压(V_t)始终处于低电平状态。当AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动为低电平时，器件关断，漏极电压为高压，漏极监测电压(V_t)被D1截止与漏极电压隔离，此时B点的测量电压为供电单元二的低值供电电压，此时Q1也关断。

当AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动为高电平时，器件开通，漏极监测电压经由D1和D2探测漏极电压，其供电来自恒流源I1。此时Q1也开通，恒流源 I1的电流一部分通过D1流向被测器件，一部分通过D2流经Q1即电流I2。数字控制器通过监控I2的值，通过线性化调节，在数个周期内使其逼近恒流源I1 的一半。换而言之，通过数字控制器和Q1的调节，使得在被测器件开通时流经 D1和D2的电流相同，则D1和D2所产生的压降亦相同，使得C点测量电压与待测器件的漏极电压相同，通过这种电流逐次逼近等值的方法来获得高的实时测量精度。为了避免了开关的振荡影响，数字控制器还采取中值采样法，在被测器件导通的中间时刻进行采样测试。

实施例2

基于上述高频高压动态导通阻抗自动化提取电路的自动化提取方法，其步骤包括：

A、供电单元一通过串联负载单元给AlGaN/GaN HEMT器件供电；

B、供电单元二通过恒流源I₁给场效应管Q1供电；

C、数字控制器通过驱动调制单元发送驱动信号到驱动单元一，并将同步的驱动信号发送给驱动单元二；

D、电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二分别检测对应位点的电压或电流，并将信号传给数字控制器；

E、数字控制器根据电压、电流信号计算得到AlGaN/GaN HEMT器件动态导通阻抗R_dson，计算公式为：

其中V_C由电压监测单元一测得，I_Load由电流监测单元一测得，I₁为设定的恒流源电流。

通过中值采样法，在被测器件导通的中间时刻进行采样测试，避免开关振荡的影响。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，包括：AlGaN/GaN HEMT器件、供电单元一、供电单元二、负载单元、恒流源I₁、驱动单元一、驱动单元二、电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二、数字控制器、二极管D1、D2和D3、场效应管Q1，其中供电单元一给AlGaN/GaN HEMT器件的漏极供电，在供电单元一与AlGaN/GaN HEMT器件的漏极之间还串连有负载单元，AlGaN/GaN HEMT器件源极接地，电流监测单元一设置于AlGaN/GaN HEMT器件源极侧，用于测量通过AlGaN/GaN HEMT器件的电流，驱动单元一为AlGaN/GaN HEMT器件提供所需的调制驱动；

供电单元二与恒流源I1串联，恒流源I1连接到B点，D1的正极连接到B点，负极连接到AlGaN/GaN HEMT器件的漏极，D3的负极连接到B点，正极接地，D2的正极连接到B点，负极连接到Q1的漏极，Q1的栅极与驱动单元二连接，Q1的源极接地，电流监测单元二设置于Q1源极侧，用于测量通过Q1的电流，驱动单元二为Q1提供所需脉宽调制驱动，使其工作在线性状态，电压监测单元一用于测量Q1漏极电压，电压监测单元二用于测量AlGaN/GaN HEMT器件栅极驱动电压；

数字控制器用于接收电压监测单元一、电压监测单元二、电流监测单元一、电流监测单元二的信号，发送驱动信号到驱动单元一，并将同步的驱动信号发送给驱动单元二，并输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：所述负载单元为纯阻性负载或感性负载。

3.根据权利要求1所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：所述调制驱动为脉冲驱动。

4.根据权利要求1所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：所述D1和D2为相同型号的高压小电流二极管或多个二极管串，结电容小，在2V以下结电容小于40pF。

5.根据权利要求4所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：D1和D2在相同导通电流下前向总导通电压差异不超过10mV。

6.根据权利要求4所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：D3为小信号二极管或稳压管。

7.根据权利要求1所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：所述驱动调制单元为由数字控制器输出的调制信号，为脉冲信号。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路，其特征在于：所述数字控制器输出的计算结果为AlGaN/GaN HEMT器件动态导通阻抗。

9.基于权利要求1-8中任一项所述的基于AlGaN/GaN HEMT器件的高频高压动态导通阻抗自动化提取电路的自动化提取方法，其步骤包括：

A、供电单元一通过串联负载单元给AlGaN/GaN HEMT器件供电；

B、供电单元二通过恒流源I₁给场效应管Q1供电；

10.根据权利要求9所述的自动化提取方法，其特征在于：电压监测单元一和电流监测单元一在被测AlGaN/GaN HEMT器件导通的中间时刻进行采样。