在高频电源转换器中演示基于GaN-HEMT的动态Rds电阻

GaN（氮化镓）器件因其高开关速度、更高的功率密度和效率等能力而在设计电源转换器中变得流行，但 GaN 器件的一个缺点是电流崩溃由于当器件关闭和热电子效应时被俘获的电荷。因此 GaN 器件提供 R DSon（动态导通状态电阻），这使得 GaN 半导体中的传导损耗不可预测。捕获的电荷通过偏置电压 V off、偏置时间 T off以及开关状态下电压和电流之间的重叠来测量。当器件开启时，处于关闭状态的俘获电荷被释放，因此开启状态时间 T on 等参数、硬开关或软开关、开关损耗 和温度会影响器件动态 R DSon从其静态 R DSon值发生变化。研究人员试图观察电压、电流和温度的变化对动态R DSon 的影响，可以得出结论，R DSon比静态R DSon提高了50% 。动态 R DSon实际上可以帮助工程师准确确定电源转换器中的损耗。本文将重点介绍用于测量动态 R DSon的GaN 器件模型价值。所提出的模型将在高频和稳态下进行验证。将使用软开关，因为它具有消除热电子效应和较少开关损耗的优点。

GaN-HEMT 动态RDSon

图 1 显示了测量 R DSon 的电路图。它由三部分组成：器件开关电路 （DSC）、被测器件 （DUT） 和电压钳位电路 （VCC）。图 2 显示了测量电路的原型。DUT 和 DSC 组合形成 H 桥，因此可以通过控制四个开关的信号来设置 DUT的 t on和 t off。VCC 用于提高分辨率。在关闭状态下，M 1两端的电位将为 V DC且 V DS（m） = -V Th而在 DUT 的开启状态下，ΔV = 0 所以 V DS（m） = V DSon。所以不是测量 V DS，V应测量DS（m）。齐纳二极管Z 1和肖特基二极管S 1不允许负载电流流过V CC。建议的 V CC将使我们能够计算DUT 的 R DSon。

图 1：测量电路电路图

图 2：测量电路原型

测量方法

GaN 半导体器件的动态 R DSon值取决于 T on和 T off。为了获得由于电荷俘获和解俘而产生的时间常数，R DSon被表征为不同的 T on和 T off。使用的负载为 RL，死区时间为 τ。测量过程分为四个阶段，如图 3 所示。在从 0-T1 的第一阶段，DUT 和 T 2 导通，因此 I L为 0。第二阶段是 T 1 -T 2，其中 T 2和 T 3处于导通状态，在这种情况下， I L被充电在反向循环中。被测设备off是在这个阶段计算的。第三阶段是 T 2 -T 3在这个阶段 T 2 导通并且 DUT 在 T 2上的 ZVS 处导通并开始反向传导，直到 I L达到 0。在第四阶段 T 3 -T 4 DUT 和 T 1都是ON 和 I L改变方向并开始正向传导。因此，DUT的 T on由第三个和第四个间隔定义。因此，将R DSON在反向传导模式可迅速在纳米第二从第三级和将R获得微秒DSON在正向导通模式下可以从第四阶段获得微秒到秒的时间。

对于该实验的GaN晶体管是焊料进入子板，以确定它的R DSON在V DC=200V和我d = 1个A.通过验证Ť关闭和T上，R DSON可以得到。由于栅极电压达到6V我们的器件打开，我们会尽快［R DSON rapidlyin为50ns。在RDSon值上观察到捕获效应，它在 100us 内增加了静态RDSon值的 25% 。然后直到 1秒它以缓慢的速度增加，从 1-10秒动态RDSon迅速增加 70%，30 秒后稳定。在去陷阱效应的情况下，R DSon的值下降到 10us，然后在 10ms 后稳定，然后再次下降，直到 T on达到 50s。

图 3：单脉冲控制信号下的四个操作阶段

实验结果

在瞬态和稳态期间

首先，H 桥在 RL 负载下运行，其中 T1 关闭，T2 开启，V DC = 200V，IL = 1.3A，f = 100kHz 和 D = 50%。DUT 在反向传导和软开关模式下运行。可以控制电源转换器操作期间的R DSon变化。R B DSon表示在开启周期开始时测得的RDSon值，而 R E DSon表示在开启周期结束时测得的RDSon值 。结果表明，当电源转换器工作时，R DSon值缓慢增加至 3s，然后迅速增加至 30s，R DSon值100 秒后稳定。在图 3 中也观察到了这种转变。3. 因此，该模型可用于表示功率转换器运行期间GaN 器件的瞬态 R DSon值。

不同开关频率下

在这种情况下，将改变电源转换器的开关频率以检查对 R DSon值的影响。为了提高电源转换器的开关频率，我们必须减少连接到 GaN 晶体管的损耗，为此我们将使用 LC 负载而不是使用 RL 负载。TZCM（梯形电流模式）用于软开关并实现添加相移。在 TZCM 中，R DSon是在恒定电流幅度期间测量的 。频率从 100kHz 增加到 1MHz。当 DUT 和 T2 导通且处于反向导通模式时，可以测量R DSon的值。R DSon 的这个值将被视为 R B DSon.在正向传导模式下，DUT 和 T1 将导通，I L由 V DC充电。然后 T1 将切换到关闭状态，R DSon的值将在恒定电流幅度下测量，这实际上是 R E DSon。结果表明，当电源的开关频率增加时，R B DSon和 R E DSon之间的差异会减小 。实测值与模型相差10%左右。

结论

在文章中，提出了一个模型来计算功率转换器应用中 GaN-HEMT 器件的动态 R DSon值。显示了一个测量电路，用于获得不同 ON 和 OFF 状态下的 R DSon值。根据建议的模型，设计人员可以成功预测电源转换器中的传导和开关损耗。该电路还针对瞬态响应和不同的开关频率进行了测试。两个 R DSon的差异小于 10%。已经观察到，在电源转换器操作期间，RDSon的值会在 100 秒后稳定下来。

审核编辑：郭婷