EP-Basics Der dynamische Durchlasswiderstand bei GaN-Leistungstransistoren

Der dynamische Durchlasswiderstand (RDS(ON)) entscheidet über den stabilen Betrieb von GaN-Leistungstransistoren. Allerdings lässt er sich schwer mit ausreichender Auflösung konsistent messen.

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GaN-Halbleiter: Der dynamische Durchlasswiderstand ist entscheidend für den zuverlässigen und stabilen Betrieb von GaN-Leistungstransistoren.
GaN-Halbleiter: Der dynamische Durchlasswiderstand ist entscheidend für den zuverlässigen und stabilen Betrieb von GaN-Leistungstransistoren.
(Bild: geralt / Pixabay )

Ein GaN-Leistungstransistor hat geringe Energieverluste bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte – das macht ihn in der Leistungselektronik beliebt. Doch haben Entwickler Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Ein wesentliches Hauptproblem eines GaN-Leistungstransistors ist der Anstieg des dynamischen Durchlasswiderstands (RDS(ON)) während des Schaltvorgangs.

Das Phänomen ist als „Current Collapse“ bekannt. Current Collapse ist das Ergebnis von Elektroneneinschlüssen in der Transistorstruktur, wenn eine hohe Drain-Ausschaltspannung angelegt wird.

Der Einfluss des dynamischen RDS(ON) ...

Es dauert eine gewisse Zeit, bis die eingeschlossenen Elektronen während eines Einschaltvorgangs wieder freigesetzt werden, was durch die dynamische Messung von RDS(ON) charakterisiert wird. Ein erhöhter dynamischer RDS(ON) verschlechtert die Leitungsverluste der GaN-Leistungstransistoren und erhöht die Temperatur. Das wiederum wirkt sich auf die Zuverlässigkeit des GaN-Leistungstransistors und des Systems insgesamt aus.

Einige Hersteller bieten sogenannte Collapse-freie GaN-Leistungstransistoren an. Doch die Auswirkungen des Current Collapse werden von Entwicklern weiterhin kritisch eingeschätzt. Daher müssen nicht nur die Hersteller der Bauelemente, sondern auch die Entwickler von Stromrichtern den dynamischen RDS(ON) von GaN-Leistungstransistoren genau bewerten.

... und wie er gemessen wird

Der dynamische Durchlasswiderstand RDS(ON) stellt Entwickler immer wieder vor Probleme. Die Gründe sind:

  • Übersteuerung und
  • die Begrenzung des dynamischen Bereichs von Oszilloskopen.

Bei der Messung des dynamischen Widerstandwerts RDS(ON) sollte der Messbereich des Oszilloskops gerade groß genug sein, um die Drain-Spannung nur im eingeschalteten Zustand VDS(ON) zu überwachen. Das kann beispielsweise bei 1 V/div sein. So erhält man die beste Auflösung des Oszilloskops.

Leider schaltet der Transistor von einer hohen Drain-Aus-Spannung (VDS(OFF)) wie 400 V. Die Verstärker im Oszilloskop verzerren die Signalform, wenn der Messbereich nicht weit genug ist, um sowohl VDS(OFF) als auch VDS(ON) abzudecken.

Die Grenzen bei der vertikalen Auflösung

Dieses Phänomen bezeichnet man als Übersteuerung des Oszilloskops [1] und führt zu gesättigten Oszilloskopverstärkern und fehlerhaften Messungen bei VDS(ON). Daher muss man den Bereich des Oszilloskops weit genug einstellen, um sowohl VDS(OFF) als auch VDS(ON) zu erfassen. Nur dann wird der Eingang nicht übersteuert.

Allerdings stößt man dann auf das Problem der Begrenzung des dynamischen Bereichs von Oszilloskopen. Selbst die High-End-Oszilloskope mit der höchsten vertikalen Auflösung haben nur etwa neun effektive Bits (ENOB) bei einer Bandbreite von 20 MHz.

In den meisten Fällen ist ENOB der nützlichere Parameter als die reine Anzahl der Bits des A/D-Wandler im Oszilloskop. Oft liegen einige der Roh-Bits unter dem Rauschpegel des Verstärkers und sind damit unbrauchbar. Daher kann das Oszilloskop nur 1/29 = 1/512 des Skalenendwertes erkennen. Wenn VDS(OFF) = 400 V beträgt, ist die Mindestauflösung 400/512 = 0,78 V, was für dynamische Messungen des RDS(ON) völlig inakzeptabel ist.

Den Widerstandswert mit einer GaN-Testplatine messen

Bild 1: Damit der Test von GaN-Leistungstrasistoren gelingt, haben die Entwickler von Keysight das GaN-Testboard mit einer reproduzierbaren und zuverlässigen R2GC-Technik angepasst.
Bild 1: Damit der Test von GaN-Leistungstrasistoren gelingt, haben die Entwickler von Keysight das GaN-Testboard mit einer reproduzierbaren und zuverlässigen R2GC-Technik angepasst.
(Bild: Keysight)

Damit mögliche Probleme beim Testen von GaN-Leistungstransistoren nicht mehr auftreten, hat Messtechnik-Hersteller Keysight eine kundenspezifische GaN-Testplatine entwickelt, die sich mit dem Dynamic Power Device Analyzer und Doppelpulstester PD1500A verwenden lässt. Um speziell die Einschränkung des dynamischen Bereichs des Oszilloskops zu überwinden, hat Keysight eine Klemmschaltung entwickelt. Bild 1 zeigt das angepasste GaN-Testboard.

Die Klemmschaltung befindet sich in der Nähe der Schnittstelle des Prüflings. Das Board verfügt über eine lötfreie Prüflings-Schnittstelle, einen Stromsensor mit niedriger Einfügeinduktivität und austauschbare Gate-Widerstände. Letztere werden als reproduzierbare und zuverlässige GaN-Charakterisierungstechniken, kurz R2GC für Repeatable and Reliable GaN Characterization, bezeichnet.

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Bild 2: Ein vereinfachtes Beispiel für eine Klemmschaltung.
Bild 2: Ein vereinfachtes Beispiel für eine Klemmschaltung.
(Bild: Keysight)

Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Konzept der Klemmschaltung. Die Schaltung wird parallel zum Ausgang des Prüflings geschaltet. Angenommen, die Spannungsschwelle (VTH) von Q1 beträgt 2 V. Wenn die Klemmspannung auf 8 V eingestellt ist, misst die Schaltung die Spannung VCLAMP bis zu 6 V genau, wenn VDS des Prüflings unter 6 V liegt. Wenn VDS jedoch über 6 V liegt, misst das System nicht mehr als 6 V. Das Oszilloskop lässt sich auf einen niedrigen Spannungsbereich wie 1 V/div einstellen, was eine ausreichende vertikale Auflösung für dynamische Messungen RDS(ON) bietet. Diese Prüfmethode mit einer Klemmschaltung wird in der JEDEC-Veröffentlichung JEP173 [2] vorgeschlagen.

Den dynamischen RDS(ON) genauer bewerten

Bild 3: Signalformen beim Einschalten eines GaN-E-HEMTs mit einer Nennspannung von 650 V. Die Schaltung wurde mit dem GaN-Testboard mit Klemmschaltung entwickelt.
Bild 3: Signalformen beim Einschalten eines GaN-E-HEMTs mit einer Nennspannung von 650 V. Die Schaltung wurde mit dem GaN-Testboard mit Klemmschaltung entwickelt.
(Bild: Keysight)

Hersteller Keysight hat die Leistung des angepassten GaN-Testboards mit einem handelsüblichen GaN E-HEMT (Enhancement Mode High Electron Mobility Transistor) für 650 V bewertet. Bild 3 zeigt die Einschalt-Signalformen des GaN E-HEMT bei VDS(OFF) = 400 V, IDS(ON) = 30 A. Die gelbe Signalform zeigt die geklemmte Drain-Spannung (VCLAMP) und die braune Linie zeigt RDS(ON), berechnet durch VCLAMP/IDS und unter Verwendung einer Tiefpassfiltereinstellung von 20 MHz am Oszilloskop.

Die gelbe Signalform zeigt, dass die gemessene VDS bei etwa 4,5 V geklemmt ist und dass VDS(ON) bei etwa 2 V gemessen wird. Das Spitze/Spitze-Rauschen des Werts RDS(ON) betrug etwa 1 mOhm (30 mV in Bezug auf VDS(ON)), was sehr viel genauer ist als die ursprüngliche VDS-Auflösung von 0,78 V. Das ist ausreichend, um den dynamischen RDS(ON) für die meisten GaN-Leistungstransistoren zu bewerten.

Die Reaktionszeit der Schaltung im Blick

Ein weiteres wichtiges Merkmal für die Klemmschaltung ist die Reaktionszeit der Schaltung. In typischen Anwendungen der Leistungselektronik wie bei DC/DC-Wandlern wird die Schaltfrequenz der GaN-Leistungstransistoren immer schneller und liegt mittlerweile bei über 1 MHz. Dabei sollte die Ansprechzeit der Klemmschaltung weniger als ein paar hundert Nanosekunden betragen, um den dynamischen RDS(ON) unter praktischen Betriebsbedingungen zu messen. Die Komponenten der Klemmschaltung wie Transistoren und Dioden haben physikalisch eine gewisse Sperrschichtkapazität und Erholungseigenschaften. Damit wird die Ansprechzeit der Schaltung beeinträchtigt. Das erschwert ein schnelles Ansprechen der Klemmschaltung.

Zurück zu Bild 3: Die geklemmte Signalform VDS (gelb) zeigt einen negativen Einbruch für etwa 50 ns direkt nach dem Einschaltvorgang. Der negative Einbruch ist auf die Auswirkungen der parasitären Effekte der Klemmschaltung zurückzuführen. Nach dem Einbruch zeigt das angeklemmte Signal VDS den korrekten Verlauf VDS(ON). Die Ansprechzeit der Clamp-Schaltung im Doppelpulstest-System betrug weniger als 100 ns.

Ein Vergleich mit einem älteren Power Device Analyzer

Bild 4: Messergebnisse des dynamischen RDS(ON) eines 100 V/10 mOhm GaN E-HEMT, die sowohl mit dem PD1500A (Klemmschaltung) als auch mit dem B1505A erfasst wurden.
Bild 4: Messergebnisse des dynamischen RDS(ON) eines 100 V/10 mOhm GaN E-HEMT, die sowohl mit dem PD1500A (Klemmschaltung) als auch mit dem B1505A erfasst wurden.
(Bild: Keysight)

Das dynamische Testverfahren RDS(ON) haben die Entwickler von Keysight mit dem früheren System B1505A mit N1267A HVSMU/HCSMU-Schnellschalter verglichen. Bild 4 zeigt die Messergebnisse eines 100 V/10 mOhm GaN E-HEMT, die mit beiden Systemen erzielt wurden. B1505A basiert auf SMU-Technik und die Messung benötigt einige zehn Mikrosekunden zum Einschwingen. Die Klemmschaltung des PD1500A hat im Vergleich eine etwa 1000-mal schnellere Reaktionszeit und erkennt die schnelle Antwort des Current-Collapse-Verhaltens, das innerhalb von 100 ns nach dem Einschalten auftritt. Das Grundrauschen des gemessenen dynamischen RDS(ON) ist etwa zehnmal kleiner als beim B1505A. Somit ist die Messung des dynamischen RDS(ON) deutlich besser.

Eine längere und höhere Belastung von VDS(OFF)

Um mehr über die Möglichkeiten des dynamischen RDS(ON)-Tests zu erfahren, haben die Entwickler die Off-Pulslänge und die VDS(OFF)-Abhängigkeit des dynamischen RDS(ON) für einen GaN-E-HEMT mit einer Nennspannung von 650 V untersucht. Allgemein steigt der dynamische RDS(ON) von GaN-Leistungstransistoren mit Current Collapse bei einer längeren und höheren Belastung von VDS(OFF). Die Auswirkung des Current Collapse lässt sich durch den Vergleich des RDS(ON) zwischen dem ersten und dem zweiten Puls der Signalform des Doppelpulstests erkennen.

Bild 5: Ergebnis des dynamischen RDS(ON)-Doppelpulstests und ΔRDS(ON)-Extraktion eines GaN-E-HEMT mit einer Nennspannung von 650 V bei 500 V/20 A.
Bild 5: Ergebnis des dynamischen RDS(ON)-Doppelpulstests und ΔRDS(ON)-Extraktion eines GaN-E-HEMT mit einer Nennspannung von 650 V bei 500 V/20 A.
(Bild: Keysight)

Bild 6: Off-Pulslänge und VDS(OFF)-Abhängigkeit von ΔRDS(ON) für einen GaN E-HEMT mit einer Nennspannung von 650 V.
Bild 6: Off-Pulslänge und VDS(OFF)-Abhängigkeit von ΔRDS(ON) für einen GaN E-HEMT mit einer Nennspannung von 650 V.
(Bild: Keysight)

Bild 5 zeigt das dynamische Verhalten RDS(ON) des GaN E-HEMT während des Doppelpulstests. Dabei wurde die Abweichung des RDS(ON) (ΔRDS(ON)) zwischen dem ersten Puls mit 100 ns vor dem Abschalten von VGS und dem zweiten Puls mit 100 ns nach dem Einschalten von VGS extrahiert.

Wie in Bild 6 gezeigt, stieg ΔRDS(ON) leicht an, je länger und höher die Belastung mit VDS(OFF) war. Damit ist bestätigt, dass das Doppelpulstest-System den Current Collapse von GaN-Leistungstransistoren effektiv bewerten kann.

Referenzen

[1]. „Overcoming Overdrive Recovery on High-Speed Digital Storage Oscilloscopes“ Application Note 5989-0068EN, Keysight Technologies.

[2]. „Dynamic ON-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT based Power Conversion Devices,“ Version 1.0, JEP173.

* Takamasa Arai, Ryo Takeda, Bernhard Holzinger, Michael Zimmerman und Mike Hawes. Die Autoren arbeiten bei Keysight Technologies.

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