CN113252987A

CN113252987A - 一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路

Info

Publication number: CN113252987A
Application number: CN202110754326.3A
Authority: CN
Inventors: 罗景涛
Original assignee: Xi'an Zhongli Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Zhongli Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本申请公开了一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路，包括陪测GaN HEMT功率器件、待测GaN HEMT功率器件和钳位电路；陪测GaN HEMT功率器件和待测GaN HEMT功率器件组成半桥结构，且陪测GaN HEMT功率器件做半桥结构的上桥，待测GaN HEMT功率器件做半桥结构的下桥；钳位电路的输入端与待测GaN HEMT功率器件的漏极和源极相连接。本方案可以清晰地表征GaN HEMT功率器件在实际使用过程中连续的动态电阻特性，从而能够定量评估GaN HEMT功率器件在实际应用中的动态电阻，准确地估算导通损耗，可以促进GaN HEMT功率器件的大规模量产化应用。

Description

一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体涉及一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路。

背景技术

基于氮化镓GaN的HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管）功率器件在中低压颌域有着广泛的应用前景和市场机遇，但在实际应用中仍然面临着许多挑战。其中，动态电阻退化效应（Dynamic Rdson Degradation）就是制约GaN HEMT功率器件大规模应用的问题之一。

由于GaN HEMT功率器件的表面陷阱、异质外延层体陷阱所引起的沟道载流子部分耗尽，而造成的器件导通电阻和导通损耗随时间变化而增加的现象，业界称之为动态电阻退化效应。也就是说，当器件从高压偏置转态切换至导通状态时，其实际的导通电压VDSON会高于其理想的静态导通电阻值，随着导通时间的持续，导通电阻会逐渐衰减，通常需要在经过10^-1-10³秒的时间之后，器件才能恢复至理想的静态导通电阻值。而在实际应用中，GaNHEMT功率器件作为电子高速开关，需要在导通和关短状态之间高速切换，其频率甚至达到Mhz级，这意味着每个工作周期内GaN HEMT功率器件的导通时间极短，无法使导通电阻恢复至其理想的静态导通电阻值。因此，在高频变换器应用中，由动态电阻退化效应带来的导通电阻增加现象将十分显著，这会大大增加器件的功率损耗，降低器件的工作效率，严重制约GaN HEMT功率器件作为高频电子开关在系统中的广泛应用。

因此，为了定量评估GaN HEMT功率器件在实际应用中的动态电阻，以便准确地估算导通损耗，开展GaN HEMT功率器件的动态电阻测试工作就具有十分重要的意义和价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路，以便定量评估GaN HEMT功率器件在实际应用中的动态电阻，准确地估算导通损耗。

基于上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路，包括：

陪测GaN HEMT功率器件、待测GaN HEMT功率器件和钳位电路；

所述陪测GaN HEMT功率器件和所述待测GaN HEMT功率器件组成半桥结构，且所述陪测GaN HEMT功率器件做所述半桥结构的上桥，所述待测GaN HEMT功率器件做所述半桥结构的下桥；

所述钳位电路的输入端与所述待测GaN HEMT功率器件的漏极和源极相连接。

优选地，还包括：负载电感；

所述半桥结构的中间点与所述陪测GaN HEMT功率器件的源极相连接，且所述半桥结构的中间点与所述待测GaN HEMT功率器件的漏极相连接，所述半桥结构的中间点连接所述负载电感的第一端，所述负载电感的第二端连接有第一端口。

优选地，所述上桥包括：

第一输出电容、第一电阻、第一驱动电路、第二端口；

所述第一输出电容与所述第一电阻并联，所述第一输出电容的第一端与所述陪测GaN HEMT功率器件的漏极相连接，且所述第一输出电容的第一端连接有第二端口，所述第一输出电容的第二端连接有第三端口；

所述第一驱动电路用于驱动所述陪测GaN HEMT功率器件。

优选地，所述下桥包括：

第二输出电容、第二电阻、第二驱动电路、第三端口、同轴电阻；

所述第二输出电容与所述第二电阻并联，所述第二输出电容的第一端连接所述第三端口，所述第二输出电容的第二端连接所述同轴电阻的第一端；

所述同轴电阻的第二端与所述待测GaN HEMT功率器件的源极相连接；

所述第二驱动电路用于驱动所述待测GaN HEMT功率器件。

优选地，所述钳位电路包括：

低压源、稳压管、二极管、第三电阻；

所述二极管的负极与所述半桥结构的中间点连接，所述二极管的正极与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与所述低压源的正极相连接，所述低压源的负极与所述待测GaN HEMT功率器件的源极相连接；

所述稳压管的负极与所述第三电阻的第一端相连接，所述稳压管的正极与所述待测GaN HEMT功率器件的源极相连接。

优选地，还包括：输入电容；

所述输入电容的第一端与所述第一输出电容的第一端相连接，所述输入电容的第二端与所述第二输出电容的第二端相连接。

优选地，所述陪测GaN HEMT功率器件的漏极连接负载端电压，所述待测GaN HEMT功率器件的源极接地。

优选地，在进行硬开关的动态电阻测试时，将所述第一端口与所述第二端口相连接，构成硬开关测试电路。

优选地，在进行软开关的动态电阻测试时，将所述第一端口与所述第三端口相连接，构成软开关测试电路。

上述本申请提供的一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路，包括陪测GaNHEMT功率器件、待测GaN HEMT功率器件和钳位电路；所述陪测GaN HEMT功率器件和所述待测GaN HEMT功率器件组成半桥结构，且所述陪测GaN HEMT功率器件做所述半桥结构的上桥，所述待测GaN HEMT功率器件做所述半桥结构的下桥；所述钳位电路的输入端与所述待测GaN HEMT功率器件的漏极和源极相连接。本方案可以清晰地表征GaN HEMT功率器件在实际使用过程中连续的动态电阻特性，从而能够定量评估GaN HEMT功率器件在实际应用中的动态电阻，准确地估算导通损耗，可以促进GaN HEMT功率器件的大规模量产化应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路的电路结构示意图；

图2为本发明提供的一种GaN HEMT功率器件在硬开关模式下的动态电阻测试电路图；

图3为本申请提供的一种GaN HEMT功率器件在硬开关模式下的动态电阻测试波形图；

图4为本申请提供的一种GaN HEMT功率器件在软开关模式下的动态电阻测试电路图；

图5为本申请提供的一种GaN HEMT功率器件在软开关模式下的动态电阻测试波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面，将通过具体实施例对本申请的方案做具体阐述：

图1为本申请提供的一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路的电路结构示意图。

请参照图1所示，本申请实施例提供的一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路，包括：

陪测GaN HEMT功率器件、待测GaN HEMT功率器件和钳位电路；

陪测GaN HEMT功率器件和待测GaN HEMT功率器件组成半桥结构，且陪测GaN HEMT功率器件做半桥结构的上桥，待测GaN HEMT功率器件做半桥结构的下桥；

钳位电路的输入端与待测GaN HEMT功率器件的漏极和源极相连接。钳位电路的输入端为待测器件的漏源极电压。

本电路中选取与GaN HEMT同型号陪测器件做上桥，待测GaN HEMT器件做下桥，组成半桥结构，Vin为负载端电压，也是待测GaN HEMT器件关断时VDS偏置电压，一般约在几百伏甚至上千伏左右，但待测GaN HEMT器件导通后的导通电压VDSON一般都比较小，均在10V以内，所以为了保证电压测量单元的精度，主体结构中，在待测器件漏-栅极并联了钳位电路，确保即使待测器件反向关断时，其VDS电压被钳位在很小的电压量级（与导通VDSON相同量级），可通过选取同量程的电压检测装置测得。

该电路还包括：负载电感L；

半桥结构的中间点与陪测GaN HEMT功率器件的源极相连接，且半桥结构的中间点与待测GaN HEMT功率器件的漏极相连接，半桥结构的中间点连接负载电感L的第一端，负载电感L的第二端连接有第一端口1。

上桥包括：第一输出电容C₀₁、第一电阻R1、第一驱动电路V_gs1、第二端口2；

第一输出电容C₀₁与第一电阻R1并联，第一输出电容C₀₁的第一端与陪测GaN HEMT功率器件的漏极相连接，且第一输出电容C₀₁的第一端连接有第二端口2，第一输出电容C₀₁的第二端连接有第三端口3；

第一驱动电路V_gs1用于驱动陪测GaN HEMT功率器件。

下桥包括：第二输出电容C₀₂、第二电阻R2、第二驱动电路V_gs2、第三端口、同轴电阻；

第二输出电容C₀₂与第二电阻R2并联，第二输出电容C₀₂的第一端连接第三端口3，第二输出电容C₀₂的第二端连接同轴电阻的第一端；

同轴电阻的第二端与待测GaN HEMT功率器件的源极相连接；

第二驱动电路V_gs2用于驱动待测GaN HEMT功率器件。

本申请实施例中，输出电容C₀₁和C₀₂的容值要足够大

钳位电路包括：低压源VDS、稳压管Dz、二极管D1、第三电阻；

二极管D₁的负极与半桥结构的中间点连接，二极管D₁的正极与第三电阻的第一端连接，第三电阻的第二端与低压源VDS的正极相连接，低压源VDS的负极与待测GaN HEMT功率器件的源极相连接；

稳压管Dz的负极与第三电阻的第一端相连接，稳压管Dz的正极与待测GaN HEMT功率器件的源极相连接。实际测量值为稳压管Dz两端的待测电压VDS(m)。

还包括：输入电容Cin；

输入电容Cin的第一端与第一输出电容C₀₁的第一端相连接，输入电容Cin的第二端与第二输出电容C₀₂的第二端相连接。

陪测GaN HEMT功率器件的漏极连接负载端电压Vin，待测GaN HEMT功率器件的源极接地。

尽管国内外一些研究团队对GaN HEMT功率器件的动态电阻特性进行了研究和分析，但目前应用较广的测试电路只能工作在硬开关模式，而零电压软开关技术在GaN HEMT功率器件的高频功率变换中应用也很广泛，现有技术却没有考虑软开关、硬开关的不同工作条件对动态电阻的影响。

在PFC功率因数校正升压电路，buck降压电路，电机控制逆变，单端反激等电路中，GaN HEMT主要工作为硬开关模式；在零电压开关变换器（ZVS），LLC变换器等电路中，GaNHEMT主要工作为软开关模式。

本申请实施例提供的测试电路，可以通过改变第一端口1与第二端口2、第三端口3的连接方式，可以兼容硬开关、软开关两种模式的GaN HEMT功率器件的动态电阻测试，实现两种测试电路的切换。

在进行硬开关的动态电阻测试时，将第一端口1与第二端口2相连接，构成硬开关测试电路。

当端口1和端口2连接时，测试电路可转换为如图2所示的硬开关测试电路。通过对上下桥GaN HEMT器件栅极脉冲信号进行控制就可以得到待测GaN HEMT器件在设定电压VDS和电流ID下的动态导通电阻参数。

其中，为了更加贴合GaN HEMT器件在电力电子系统中应用状态，该电路采用电感L作为负载，实际制作测试系统时，可做成电感矩阵负载箱，根据设定的测试电压VDS、电流ID，选取合适的负载电感接入测试系统进行测试，负载电感L选取规则遵循公式1, 注意负载电感L一定要采用空心绕制确保低感生电容。

……… 公式1

硬开关下导通电阻测试电路的栅极控制信号VGS、测试电压VDS、电流ID、导通电阻RDSON波形如图3所示，在t₀时刻，脉冲信号源给待测GaN HEMT器件栅极给出第一个开启脉冲Vgs2，待测GaN HEMT器件导通，与母线电容Cin、负载电感L组成充电回路，负载电感L电流线性上升，上升斜率di/dt=Vin/L，在t₁时刻，负载电感L电流上升至设定电流ID，待测GaNHEMT器件栅极脉冲关断，待测GaN HEMT器件从导通切换至关断; 在t₁~t₂阶段，上桥GaNHEMT器件的栅极驱动为0V，利用其反向导通特性，电流通过上桥GaN HEMT器件续流; 在t₂时刻，待测GaN HEMT器件栅极第二个脉冲Vgs2发出，待测GaN HEMT器件在设定电流ID下开通,实际上在t₁~t₂阶段，ID电流会略微下降，但根据L*di/dt=VON,此时上桥反向导通VON非常小，所以di/dt变化也非常小，只要控制t₁~t₂时间不要太长，第二次开通时待测GaN HEMT器件导通电流非常接近之前设定的ID，在t₂~t₃期间，可以观察待测GaN HEMT器件的导通电压VDSON和电流ID波形，从而完成器件的动态电阻测试，t₃时刻，待测GaN HEMT器件栅极再次脉冲关断，待测GaN HEMT器件关断，电流ID通过上桥GaN HEMT器件续流并逐渐衰减至零，测试结束。

硬开关模式下，动态导通电阻计算方法如公式1所示，VDSON(t₂)为t₂时刻动态导通电压，VDSON(t₃)为t₃时刻动态导通电压，ID为待测器件导通电流。

………公式2

从图3可以发现动态RDSON并非恒定值而是随着导通时间的增加而减小，考虑到器件刚导通瞬时的开关振荡以及钳位电路带来的测量延时对测试结果的影响，在此测量t₂~t₃总时间段的20%，80%两个点的VDS(m)，至此得到动态RDSON计算公式2，一般的VDS(m)的测试都通过示波器自动测量，示波器都带有测试点计算选取功能，所以只需设置示波器，或者在上位机软件中做好设置即可实现动态导通电阻的自动测量。

..公式3

在进行软开关的动态电阻测试时，将第一端口1与第三端口3相连接，构成软开关测试电路。

当端口1和端口3连接时，测试电路可转换为如图4所示的软开关测试电路。测试电路类似于同步整流Buck电路，但由于输出电容Co1和Co2存在对Vin的初始分压，因此该电路无需输入电容Cin电压建立过程就可以直接进行测试。为保证在微秒级测试过程中，电容两端电压始终保持恒定，输出电容Co1和Co2的容值尽可能足够大。输出电容两端并联的电阻R1和R2用来确定输出电容的电压初始值从而确定测试脉冲的占空比，例如，当R1和R2取值相同时，占空比为0.5。

软开关下导通电阻测试电路的栅极控制信号VGS、测试电压VDS、电流ID、导通电阻RDSON波形如图5所示, 在待测器件开启之前，先控制上桥GaN HEMT器件导通一段时间后关断，在t0~t1时刻，给上桥GaN HEMT器件的栅极开启100ns的窄脉冲，上桥GaN HEMT器件导通，负载电感L两端电压为Vin-Vo2，回路电流开始上升，上升斜率di/dt=（Vin-Vo2）/L。在t1~t2死区时间里，回路电流给待测GaN HEMT器件的寄生电容放电，使待测GaN HEMT器件两端电压VDS开始下降。当VDS下降到０时，待测GaN HEMT器件开始反向导通。因此当t2时刻待测GaN HEMT器件的栅极脉冲开启时，待测GaN HEMT器件实现软开通，此时负载电感L反向充电，电感两端电压为Vin-Vo1，回路电流开始反向升高直到t3时刻待测GaN HEMT器件关断。经过一段死区时间后，上桥GaN HEMT器件在t4时刻再次开通并在t5时刻关断，如此反复，使待测GaN HEMT器件在t6时刻再次实现软开通。

软开关模式下，定义在第一次软开通过程中计算动态导通电阻，如公式4所示，VDSON(t₂)为t₂时刻动态导通电压，VDSON(t₃)为t₃时刻动态导通电压，ID为待测器件导通电流。

…………公式4

同样的，为了和硬开关测试保持相同的采样方式，取t₂~t₃总时间段的20%，80%两个点测量导通电压VDSON，至此得到动态RDSON计算公式5，该测试结果可通过示波器，或上位机软件设置即可实现动态导通电阻的自动测量。

…公式5

综上所述，对于GaN HEMT器件，结合实际应用系统场景，本发明设计了兼容硬开关模式、软开关模式下的动态电阻Dynamic RDSON测试方法，只需通过改变端口的连接方式，便可切换两种模式下Dynamic RDSON测试，同时增加了电压钳位电路，确保GaN HEMT器件反向偏置电压VDS与导通电压VDSON同量级精确测试，硬开关电路兼容传统的双脉冲测试电路，软开关电路通过在BUCK电路中稍加变形即可，最后两种模式下表征Dynamic RDSON采用相同的计算公式，便于实际两种模式下结果比对，同时也大大降级了该测试方法中算法的推演工作。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路，其特征在于，包括：

陪测GaN HEMT功率器件、待测GaN HEMT功率器件和钳位电路；

2.根据权利要求1所述的动态电阻测试电路，其特征在于，还包括：负载电感；

3.根据权利要求2所述的动态电阻测试电路，其特征在于，所述上桥包括：

第一输出电容、第一电阻、第一驱动电路、第二端口；

所述第一输出电容与所述第一电阻并联，所述第一输出电容的第一端与所述陪测GaNHEMT功率器件的漏极相连接，且所述第一输出电容的第一端连接有第二端口，所述第一输出电容的第二端连接有第三端口；

所述第一驱动电路用于驱动所述陪测GaN HEMT功率器件。

4.根据权利要求3所述的动态电阻测试电路，其特征在于，所述下桥包括：

所述第二驱动电路用于驱动所述待测GaN HEMT功率器件。

5.根据权利要求4所述的动态电阻测试电路，其特征在于，所述钳位电路包括：

低压源、稳压管、二极管、第三电阻；

6.根据权利要求5所述的动态电阻测试电路，其特征在于，还包括：输入电容；

7.根据权利要求6所述的动态电阻测试电路，其特征在于：

所述陪测GaN HEMT功率器件的漏极连接负载端电压，所述待测GaN HEMT功率器件的源极接地。

8.根据权利要求7所述的动态电阻测试电路，其特征在于：

在进行硬开关的动态电阻测试时，将所述第一端口与所述第二端口相连接，构成硬开关测试电路。

9.根据权利要求7所述的动态电阻测试电路，其特征在于：

在进行软开关的动态电阻测试时，将所述第一端口与所述第三端口相连接，构成软开关测试电路。