测试共源共栅氮化镓 FET

【导读】Cascode GaN FET 比其他类型的 GaN 功率器件更早进入市场，因为它可以提供常关操作并具有更宽的栅极驱动电压范围。然而，电路设计人员发现该器件在实际电路中使用起来并不那么容易，因为它很容易发生振荡，并且其器件特性很难测量并获得可重复的提取。许多设计人员在电路中使用大栅极电阻时必须减慢器件的运行速度，这降低了使用快速 GaN 功率器件的优势。

Cascode GaN FET 动态测试面临的挑战
　　
Cascode GaN FET 比其他类型的 GaN 功率器件更早进入市场，因为它可以提供常关操作并具有更宽的栅极驱动电压范围。然而，电路设计人员发现该器件在实际电路中使用起来并不那么容易，因为它很容易发生振荡，并且其器件特性很难测量并获得可重复的提取。许多设计人员在电路中使用大栅极电阻时必须减慢器件的运行速度，这降低了使用快速 GaN 功率器件的优势。

图 1 显示了关断时的发散振荡。图 2 显示了导通时的大栅极电压振铃。两者都与图 3 所示的 Cascode GaN 器件（低压 Si MOSFET 和高压 GaN HEMT 的共源共栅）的独特结构有关。

图 1：关闭时的振荡可能会损坏器件和外围电路。


图 2：开启时的大振荡。

图 3：高压耗尽型 GaN 器件的共源共栅结构。

图 1 中看到的发散振荡是由结构中低压 Si MOSFET 的雪崩击穿引起的。[1] 图 2 中所示的 Vgs 振荡与 MOSFET 源极和 GaN HEMT 栅极之间的电感导致的 Vgs 不平衡有关。Cascode GaN FET 动态特性测量对于器件制造商和器件用户（即电源电路设计人员）都很重要，因为在不了解避免振荡的条件的情况下很难使用器件。
　　
评估共源共栅 GaN 器件时的关键考虑因素
　　
使用 Cascode GaN 器件时，需要使用三个重要组件来避免振荡。个是缓冲电路，第二个是铁氧体磁珠，第三个是栅极电阻 (Rg) 依赖性。RC缓冲电路由串联的电阻器和电容器组成（即简单的低通滤波器）。如果将其连接在功率 FET 的漏极和源极之间，则可以减少或消除 FET 关断时的急剧电压上升。使用 RC 缓冲电路以避免振荡非常重要。通过执行双脉冲测试找到电阻器和电容器的正确组合也很重要，因为它将在实际应用中使用。
　　
铁氧体磁珠利用其感应特性反射并抑制高频噪声。如果使用适当尺寸的铁氧体磁珠，则根据双脉冲测试期间 Vgs 上的噪声频率，噪声将被彻底消除。有一种片式铁氧体磁珠，其在水平方向上具有螺旋结构，可以限度地减少杂散电容，因此可以有效地抑制振荡。Cascode GaN FET 制造商发布的应用说明推荐并描述了铁氧体磁珠的使用。
　　
另一个需要评估的关键特性是 Rg 依赖性。Rg 限制流入栅极的电流，因此控制 Vgs 的斜坡速度。在设计电源电路时，依赖性很重要。然而，更换 Rg 并不方便，因为 GaN 功率电路的栅极电阻通常是 SMD 类型，以限度地减少杂散电感。因此，应焊接和拆焊 Rg 以测量栅极电阻依赖性。
　　
对于 Cascode GaN 器件，提供了额外的功能，使其表征变得简单而有效。
　　
Cascode GaN FET 的定制测试板如图 4 所示。该测试板具有铁氧体磁珠端子和用于 RC 缓冲器的无焊触点。选择抑制高频能量的合适铁氧体磁珠。对于 RC 缓冲器，您可以使用板上的通孔型连接器来安装或拆卸它。您可以通过测量各种组合的特性来找到的 RC 缓冲器。图 6 显示了使用该板的 Cascode GaN FET 的测量结果。使用的 RC 缓冲器是 15 欧姆电阻器和 33pF 电容器的组合。

图 4：TO-220 Cascode GaN FET 的测试板。

还实现了无焊可更换栅极电阻器机制。使用不同的栅极电阻可以轻松评估相同的板和相同的 DUT。图 7 显示了使用无焊可更换栅极电阻器机制的示例结果。图 5 所示的电路板适用于 TO-220 封装器件。如果 DUT 是 SMD 封装，则可以采用无焊 DUT 接触技术制作专为 SMD Cascode GaN 器件定制的电路板。
　　
该板插入 PD1500A 测试夹具并使用 PD1500A 软件用户界面进行控制。

图 5：无焊 DUT 触点和可更换栅极电阻。

图 6：Cascode GaN FET (TPH3212PS) Rg=15Ohm 的测试结果


图 7：使用可更换栅极电阻器（500 欧姆和 20 欧姆）的测试结果

由于器件结构容易发生振荡，共源共栅 GaN FET 动态表征具有挑战性。找到良好的工作条件对于电路设计以发挥其优越性能非常重要。PD1500A 动态功率器件分析仪/双脉冲测试仪提供了准确表征 Cascode GaN FET 的便捷方法，使用定制测试板来模拟所需外围电路的工作条件。

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