GaN（氮化鎵）器件因其高開關速度、更高的功率密度和效率等能力而在設計電源轉換器中變得流行，但 GaN 器件的一個缺點是電流崩潰由于當器件關閉和熱電子效應時被俘獲的電荷。因此 GaN 器件提供 R DSon（動態導通狀態電阻），這使得 GaN 半導體中的傳導損耗不可預測。捕獲的電荷通過偏置電壓 V off、偏置時間 T off以及開關狀態下電壓和電流之間的重疊來測量。當器件開啟時，處于關閉狀態的俘獲電荷被釋放，因此開啟狀態時間 T on 等參數、硬開關或軟開關、開關損耗 和溫度會影響器件動態 R DSon從其靜態 R DSon值發生變化。研究人員試圖觀察電壓、電流和溫度的變化對動態R DSon 的影響，可以得出結論，R DSon比靜態R DSon提高了50% 。動態 R DSon實際上可以幫助工程師準確確定電源轉換器中的損耗。本文將重點介紹用于測量動態 R DSon的GaN 器件模型價值。所提出的模型將在高頻和穩態下進行驗證。將使用軟開關，因為它具有消除熱電子效應和較少開關損耗的優點。

GaN-HEMT 動態RDSon

圖 1 顯示了測量 R DSon 的電路圖。它由三部分組成：器件開關電路 （DSC）、被測器件 （DUT） 和電壓鉗位電路 （VCC）。圖 2 顯示了測量電路的原型。DUT 和 DSC 組合形成 H 橋，因此可以通過控制四個開關的信號來設置 DUT的 t on和 t off。VCC 用于提高分辨率。在關閉狀態下，M 1兩端的電位將為 V DC且 V DS（m） = -V Th而在 DUT 的開啟狀態下，ΔV = 0 所以 V DS（m） = V DSon。所以不是測量 V DS，V應測量DS（m）。齊納二極管Z 1和肖特基二極管S 1不允許負載電流流過V CC。建議的 V CC將使我們能夠計算DUT 的 R DSon。

圖 1：測量電路電路圖

圖 2：測量電路原型

測量方法

GaN 半導體器件的動態 R DSon值取決于 T on和 T off。為了獲得由于電荷俘獲和解俘而產生的時間常數，R DSon被表征為不同的 T on和 T off。使用的負載為 RL，死區時間為 τ。測量過程分為四個階段，如圖 3 所示。在從 0-T1 的第一階段，DUT 和 T 2 導通，因此 I L為 0。第二階段是 T 1 -T 2，其中 T 2和 T 3處于導通狀態，在這種情況下， I L被充電在反向循環中。被測設備off是在這個階段計算的。第三階段是 T 2 -T 3在這個階段 T 2 導通并且 DUT 在 T 2上的 ZVS 處導通并開始反向傳導，直到 I L達到 0。在第四階段 T 3 -T 4 DUT 和 T 1都是ON 和 I L改變方向并開始正向傳導。因此，DUT的 T on由第三個和第四個間隔定義。因此，將R DSON在反向傳導模式可迅速在納米第二從第三級和將R獲得微秒DSON在正向導通模式下可以從第四階段獲得微秒到秒的時間。

對于該實驗的GaN晶體管是焊料進入子板，以確定它的R DSON在V DC=200V和我d = 1個A.通過驗證?關閉和T上，R DSON可以得到。由于柵極電壓達到6V我們的器件打開，我們會盡快［R DSON rapidlyin為50ns。在RDSon值上觀察到捕獲效應，它在 100us 內增加了靜態RDSon值的 25% 。然后直到 1秒它以緩慢的速度增加，從 1-10秒動態RDSon迅速增加 70%，30 秒后穩定。在去陷阱效應的情況下，R DSon的值下降到 10us，然后在 10ms 后穩定，然后再次下降，直到 T on達到 50s。

圖 3：單脈沖控制信號下的四個操作階段

實驗結果

在瞬態和穩態期間

首先，H 橋在 RL 負載下運行，其中 T1 關閉，T2 開啟，V DC = 200V，IL = 1.3A，f = 100kHz 和 D = 50%。DUT 在反向傳導和軟開關模式下運行。可以控制電源轉換器操作期間的R DSon變化。R B DSon表示在開啟周期開始時測得的RDSon值，而 R E DSon表示在開啟周期結束時測得的RDSon值 。結果表明，當電源轉換器工作時，R DSon值緩慢增加至 3s，然后迅速增加至 30s，R DSon值100 秒后穩定。在圖 3 中也觀察到了這種轉變。3. 因此，該模型可用于表示功率轉換器運行期間GaN 器件的瞬態 R DSon值。

不同開關頻率下

在這種情況下，將改變電源轉換器的開關頻率以檢查對 R DSon值的影響。為了提高電源轉換器的開關頻率，我們必須減少連接到 GaN 晶體管的損耗，為此我們將使用 LC 負載而不是使用 RL 負載。TZCM（梯形電流模式）用于軟開關并實現添加相移。在 TZCM 中，R DSon是在恒定電流幅度期間測量的 。頻率從 100kHz 增加到 1MHz。當 DUT 和 T2 導通且處于反向導通模式時，可以測量R DSon的值。R DSon 的這個值將被視為 R B DSon.在正向傳導模式下，DUT 和 T1 將導通，I L由 V DC充電。然后 T1 將切換到關閉狀態，R DSon的值將在恒定電流幅度下測量，這實際上是 R E DSon。結果表明，當電源的開關頻率增加時，R B DSon和 R E DSon之間的差異會減小 。實測值與模型相差10%左右。

結論

在文章中，提出了一個模型來計算功率轉換器應用中 GaN-HEMT 器件的動態 R DSon值。顯示了一個測量電路，用于獲得不同 ON 和 OFF 狀態下的 R DSon值。根據建議的模型，設計人員可以成功預測電源轉換器中的傳導和開關損耗。該電路還針對瞬態響應和不同的開關頻率進行了測試。兩個 R DSon的差異小于 10%。已經觀察到，在電源轉換器操作期間，RDSon的值會在 100 秒后穩定下來。

審核編輯：郭婷