增强型GaN功率器件动态电阻测试方法研究

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氮化镓(GaN)器件是第三代功率半导体的重要代表,GaN功率器件相比与传统硅(Si)器件有更强的耐压能力,相同耐压下导通电阻极低,损耗小,其输出功率密度更大,驱动力更强,在电力电子变换领域具有广阔的市场前景。但GaN器件存在动态电阻退化现象,此现象大幅增大了GaN器件的导通电阻,给GaN的损耗估算带来了极大的不确定性,制约了GaN器件的进一步发展。准确测量GaN功率器件的导通电阻可以为电力电子应用的设计提供有效数据,减小设计难度。因此,GaN功率器件的动态电阻特性成为了研究的热点。GaN器件开关切换时电压摆幅过大,传统电压测量电路因为示波器的过冲效应无法准确测量其导通电压,近年来使用钳位电路来间接测量GaN器件导通电压已成为主流方法,本文对目前常用的几种钳位电路进行了分析,设计了一种新型钳位电路。目前针对GaN器件动态电阻测试大多针对硬开关,且工作频率不高。本文搭配钳位电路分别设计了针对硬开关以及软开关的测试电路,测量频率可达兆赫兹级。其中硬开关测试电路使用了测试开关器件常用的双脉冲测试方法,控制GaN器件的工作电流来探究电压与频率对GaN器件动态电阻的影响;软开关测试电路则是一种空载谐振开关电路,使用了两组比较器来进行控制实现零电压转换。本文选用了两款结构不同的增强型GaN功率器件在两种开关模式向进行了多组测试,并对实验数据进行处理。实验结果表明不同结构GaN器件在软硬开关下的动态电阻表现差别较大,因此,在设计与损耗分析中要充分考虑动态电阻的影响。本文分析了SPICE中的GaN器件模型,根据LTspice中GaN器件模型导通电阻的特性曲线,设计了一种电路模型,该模型可以在LTspice中仿真模拟GaN器件的动态电阻退化现象,并且使用实际测量的数据优化了LTspice模型参数,并使用优化后的模型进行了损耗计算,并对比了模型优化前后的损耗与实际测量的损耗,验证了该模型的有效性。此模型也为GaN器件动态电阻的建模提供了一种参考。
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