北京交大科研团队提出GaN器件动态导通电阻的精确测试与优化方法

日期:2022-11-17 阅读:222
核心提示:GaN器件较传统Si器件具有耐高压、耐高温、导通电阻小和开关损耗小等优势,但其特有的动态导通电阻现象是限制其大规模应用的主要

GaN器件较传统Si器件具有耐高压、耐高温、导通电阻小和开关损耗小等优势,但其特有的动态导通电阻现象是限制其大规模应用的主要问题。北京交通大学电气工程学院的赵方玮、李艳、魏超、张楠、郑妍璇,在2022年第18期《电工技术学报》上撰文,基于动态导通电阻影响机理分析,提出一种GaN器件动态导通电阻综合测试平台及测试方法;测试了三款同电压/电流等级、不同结构GaN器件在各影响因素下的动态导通电阻,分析影响因素占比及动态导通电阻变化规律,与机理分析进行对比验证;最后从器件应用角度给出动态导通电阻优化方法。

该文提出的测试平台测试变量基本涵盖实际应用中的全部动态导通电阻影响因素。实验表明,不同结构GaN器件动态导通电阻特性不同,且占主导的动态导通电阻影响因素不同。从应用层面优化动态导通电阻,可有效降低通态损耗。

相较于传统硅(Silicon, Si)器件,氮化镓(Gallium Nitride, GaN)功率半导体器件因其材料特性可工作于更高的电压应力、更快的开关频率,具有更大的温度容限,更适用于高频、高功率密度的应用场合。然而,其在实际应用中也存在一系列的可靠性问题和挑战,其中以电流崩塌效应最为显著、影响最大。该效应在器件具体参数上表现为动态导通电阻。

GaN器件在关断状态承受漏源极高电压,当切换到开通状态时,导通电阻暂时增加、最大漏极电流减小;在不同条件下,导通电阻呈现出一定规律的动态变化。该现象即为动态导通电阻。联合电子设备工程委员会(JEDEC)提出的标准对其给出定义:由于GaN器件在应用期间会遇到各种应力条件,一些电荷可能会被困在晶体管结构的特定区域中,在开关环境中动作时,会导致导通电阻增加。

该标准强调了动态导通电阻会产生额外的损耗,从而降低系统的整体效率。因此,在实际应用中,动态导通电阻的存在不仅使得GaN器件的通态损耗无法准确预测和计算,还会对整个系统的可靠性和工作寿命产生影响。

已有文献从器件本体层面研究动态导通电阻发生机理,虽然从器件本体层面解释了动态导通电阻现象出现的原因,但难以对器件使用者产生实际的参考意义。从GaN器件在实际电力电子变换器中应用的角度,已有文献通过搭建优化后的测试平台,测试GaN器件在不同工作条件下的动态导通电阻值,对其影响因素进行研究。

但是现有文献中的测试平台可提供的测试变量有限,难以涵盖实际应用中的全部动态导通电阻影响因素,各有侧重但不全面。目前,GaN器件结构差异及各影响因素造成的动态导通电阻变化规律还有待进一步研究。

北京交通大学电气工程学院的研究人员从GaN器件动态导通电阻发生机理分析出发,确定对该参数漂移具有主要贡献作用的影响因素,在此基础上提出了一种涵盖所有动态导通电阻影响因素的综合测试电路及测试方法。基于该测试平台,选取不同结构GaN器件,在除温度外的各影响因素下进行动态导通电阻精确测试,分析测试结果,并从应用角度给出抑制动态导通电阻漂移、降低动态导通电阻造成额外损耗的优化方法。

图1 动态导通电阻综合测试平台

研究人员指出,该GaN器件动态导通电阻综合测试平台可提供的测试条件,基本涵盖实际应用中会对动态导通电阻产生影响的因素。基于该平台及对应的测试方法,可以方便且全面地对动态导通电阻在各影响因素下的变化情况进行精确测试。

图2 动态导通电阻影响因素作用效果对比

他们发现,三种结构GaN器件具有不同的动态导通电阻特性,随影响因素变化程度不同,且占主导的动态导通电阻影响因素不同。其中,普通E-mode型器件动态导通电阻现象最为明显,改进E-mode型器件次之,Cascode型器件动态导通电阻现象最不明显。对于普通E-mode型器件,开关频率、开关条件和断态电压应力占最主导因素;改进E-mode型器件受占空比影响最大,断态电压应力几乎不影响动态导通电阻;Cascode型器件受开关条件和负载电流的影响在一定程度均可忽略。

表1被测器件在影响因素下的电阻变化率

研究人员表示,动态导通电阻会增大通态损耗,根据测试结果,在某些工作条件下,通态损耗实际值会升高到数据手册典型值2倍以上。因此,从应用层面优化动态导通电阻,对于降低通态损耗、提高效率、提高系统可靠性具有重要意义。在实际运用中,应综合器件动态导通电阻特性、电压、频率及开关条件设置,以保证在符合系统指标前提下,器件动态导通电阻实现最优化。

他们综合研究结果,认为应该从器件选型、变换器设计等器件应用角度入手,充分发挥GaN器件优势,并减小其动态导通电阻漂移、抑制通态损耗增加、提升GaN器件应用可靠性,针对不同结构GaN器件提出应用层面的动态导通电阻优化方法。具体方法如下。

(1)对于普通E-mode型器件,其动态导通电阻受电压应力影响程度大,因此,在不考虑器件成本时可降额使用;改进E-mode型与Cascode型可不考虑电压应力对其动态导通电阻的影响。

(2)开关频率的提升不仅会增大器件开关损耗,也会增大三种结构GaN器件的动态导通电阻、增大通态损耗,因此,在选取开关频率时,需要平衡高频化带来的优点与引发的损耗问题。

(3)分析可知,开关频率与占空比共同决定开关管在每个周期内的断态电压应力时间;当频率一定时,占空比减小,每个周期内断态电压应力时间增大,三种结构GaN器件的动态导通电阻均随之增大。此外,在实际变换器中,死区时间的长短也影响每个周期内的断态电压应力持续时间。因此,对三种结构GaN器件设置占空比与死区时间时,在满足系统增益的前提下,均应尽可能缩短其处于断态的时间。

(4)在拓扑选择和开关条件设计方面,普通E-mode型与改进E-mode型GaN器件在高频条件下更适用于软开关条件;当受限于拓扑或控制策略而只能实现硬开关时,Cascode型GaN器件在通态损耗方面更具优势。

本文编自2022年第18期《电工技术学报》,论文标题为“GaN器件动态导通电阻精确测试与影响因素分析”。本课题得到国家自然科学基金面上资助项目的支持。

(来源:电气新科技)

打赏
联系客服 投诉反馈  顶部