在过去十年里，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN high-electron-mobility transistors, GaN HEMTs）凭借着材料性能优势，被广泛用于多种应用领域，包括消费电子、功率电源模块和逆变器。然而，由于器件表面和缓冲层陷阱对于二维电子气（2DEG）捕获的影响，这些基于GaN的功率器件持续面临着动态电阻衰退的问题，这给基于GaN器件的电源设计和导通损耗评估带来了严峻的挑战。
另外，GaN器件在变换器工作过程中，由于器件本身的自发热现象，器件往往会处于较高的结温，高温同样会影响到2DEG中电子被捕获的情况，因此，也应该对高温下GaN器件的动态电阻进行评估。
（a）初始状态下，器件的表面及缓冲层中存在陷阱
（b）高压偏置状态下，2DEG中的电子被表面及缓冲层中的陷阱捕获
（c）器件导通后，被捕获的电子逐渐释放回到2DEG中，器件的电阻逐渐恢复到静态值
图1 器件表面及缓冲层中陷阱对于2DEG中电子的捕获与释放
ZJU-PMIC团队围绕GaN器件高温动态电阻评估的主题，搭建了适用于多组双脉冲测试评估方法的GaN器件高温测试平台，针对高压GaN器件在不同结温下的动态电阻进行了评估。其中，加热方案如图2所示，采用具有温度反馈系统的陶瓷加热片，对于器件进行加热；热量通过导热的硅胶垫片，传导到待测器件，并使器件的壳温维持稳定；参考热阻模型，最终推算得到器件结温。
图2 加热方案
测试平台与测试方法
针对GaN器件的高温动态电阻评估，采用兼容第一象限硬开通与软开通的多功能测试电路，并设计钳位电路，实现对于GaN器件导通电压在成本较低情况下的准确测量。针对测试电路的工作原理，可以参考已发表的论文。[1]
图3 测试平台
目前已有研究采用双脉冲或者多脉冲的测试方法对不同结温下的动态电阻进行了评估。然而，双脉冲测试无法反映出器件在连续稳定工作模态下的性能，存在一定的限制。针对多脉冲测试，在连续脉冲中，待测器件由于损耗而引发的热量将会累积，即使是几十微秒的短暂时间，其结温事实上也会迅速增高。通过仿真软件，在100us左右的时间内，器件的结温上升了10℃，这会导致器件的导通电阻上升10%左右，如图4所示，这不利于单独表征器件动态电阻衰退效应的影响；另外，由于器件各部分热阻难以直接获取，而且不同器件的热阻往往存在差异，也难以借助热阻模型，通过反馈调节的手段来控制器件结温。.
图4 器件多脉冲测试热仿真结果
多脉冲硬开关测试的情况下，器件结温上升了10℃（左）；器件在结温上升10℃的情况下，导通电阻上升了约10%（右）
为此，采用多组双脉冲的测试方法，在相邻两组双脉冲之间添加较长的时间间隔，用于散热，避免双脉冲测试本身局限性的同时，也避免了多脉冲测试导致的结温上升，对于测试结果产生影响。
图5 多组双脉冲测试方法（相邻的双脉冲之间存在较长的时间间隔tstress，用于散热）
实验结果
ZJU-PMIC团队针对两款不同结构器件不同结温下的动态电阻进行评估，两款器件的主要参数见表1。
表1 两款待测器件
| Parameters | Device A | Device B |
| Voltage/Current Rating | 600V/31A | 700V/17A |
| Static RON | 55mΩ | 106mΩ |
| Technology | HD-GIT | p-GaN gate |
在VDS=400V，Ipeak=70%IMAX，tstress=100ms的条件下，对于两款GaN器件不同结温下的动态电阻进行评估，测试结果如图6所示。
图6 不同结构器件多组双脉冲测试结果
取器件测试稳定后的结果，可以绘制得到器件动态电阻随结温变化曲线，如图7所示。在VDS=400V，Ipeak=70%IMAX，tstress=100ms的条件下，针对HD-GIT器件，无论软硬开关情况下，归一化动态电阻均在结温125℃左右存在谷底值；针对p-GaN Gate型器件，归一化动态电阻随结温总体成上升趋势。在VDS=100V，Ipeak=70%IMAX，tstress=100ms的条件下，两款器件稳定状态下的归一化动态电阻均随结温的升高而有上升趋势，而且结温在150℃时，两款器件的动态电阻均存在较大数值，达到了2倍以上。
高压GaN器件在低压高温的情况下，动态电阻数值较大。GaN器件运行在这些工况下时，器件的动态电阻对于器件的损耗评估以及器件安全工作边界会存在更为明显的影响。因此，高压GaN器件在实际应用过程中，应给予动态电阻更多的关注。
图7 不同结构器件在不同VDS下动态电阻测试结果
[1] Z. Xie, X. Wu, Z. Dong, J. Sun, K. Sheng, and K. J. Chen, “Dynamic On-Resistance Characterization of GaN Power HEMTs Under Forward/Reverse Conduction Using Multigroup Double Pulse Test,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 39, no. 2, pp. 1963–1967, Feb. 2024
