本文基于 STS8200 测试平台，对三种标有 A/B/C 的 650 V 额定 p-GaN HEMT 器件进行了动态开关性能测试。通过监测关键开关参数（如上升时间 $t_r$、下降时间 $t_f$、开启延迟 $t_{don}$ 和关闭延迟 $t_{doff}$），并结合 600 V 的电应力实验，深入分析了不同器件的性能和可靠性差异。研究表明，GaN HEMT 的开关参数对电应力时间表现出单调变化，与器件内部的物理参数（如阈值电压 $V_{TH}$ 和米勒电容）密切相关，为评估高频应用中的器件可靠性提供了重要依据。

一、测试背景与电路设计

1.1 器件选型与目标
测试的目标是动态评估三款来自不同供应商的 650 V 额定 GaN HEMT 器件（样品 A、B 和 C）在高压条件下的开关性能和电应力影响。以下是三款器件的主要特性：

• 样品 A：典型导通电阻 ($R_{DS(on)}$) 为 240 mΩ

• 样品 B：典型 $R_{DS(on)}$ 为 130 mΩ

• 样品 C：典型 $R_{DS(on)}$ 为 40 mΩ

在测试中，漏极电压 ($V_{DS}$) 设置为 600 V，漏极电流 ($I_{DS}$) 调整为 2 A，旨在模拟器件的典型工作条件。

1.2 测试平台与电路优化
测试电路如图 1 所示，包括以下关键配置：

• 可调电阻负载：确保 $I_{DS} = 2A$。

• 高压隔离栅极驱动器：提供 10 mA、6 V 的恒定驱动电流。

• 高速示波器：使用 Tektronix MSO58 实时测量栅源电压 ($V_{GS}$) 和栅漏电压 ($V_{GD}$)。

• 低寄生环路电感设计：优化电路以实现更高的测量精度。

此外，为捕获电应力前后波形，使用 PicoScope 6824E 对 $V_{GS}$、$V_{DS}$ 和 $I_{DS}$ 波形进行记录和分析。

二、测试方法与过程

2.1 电应力与开关测试过程
测试过程包含以下阶段：

1. 预偏置阶段：向器件施加 600 V 电压，持续时间小于 1 ms，验证其对开关属性的影响可忽略不计。

2. 预应力切换：进行 5 μs 的开关操作，提取初始开关参数。

3. 漏极电应力：向器件施加 600 V 应力，持续 10 秒。

4. 后应力测量：重复开关测试，提取应力后的开关参数并与初始值对比。

2.2 重复性验证
为确保测试的准确性与稳定性，针对同一器件进行五次重复测试，测试间隔超过 24 小时。结果显示数据差异小于 5%，表明测试方法具有良好的重复性。

三、测试结果与分析

3.1 开关参数提取与对比
图 2 显示了测试中的典型波形及参数提取过程。表 1 总结了三款器件的预应力和后应力开关参数变化：

从数据可以看出，不同供应商制造的器件对电应力的响应差异显著。例如：

• 样品 A 的开关性能稳定，适合对延迟变化敏感的应用。

• 样品 B 的 $t_r$ 和 $t_{don}$ 明显增加，表明电应力对其动态性能影响更大。

• 样品 C 的 $t_f$ 增加可能与其独特的内部结构有关，但整体变化较小。

3.2 电应力时间的影响
为研究应力时间对开关性能的影响，采用从 100 毫秒到 10 秒的梯度应力测试，结果显示开关参数变化随应力时间增加呈现单调趋势，且各次测试之间独立性良好。

3.3 参数变化的物理机制
结合器件物理特性，变化的可能原因包括：

• 阈值电压 ($V_{TH}$) 增加：导致开启延迟增加。

• 米勒平台电压 ($V_{GP}$) 上升：可能与 GaN 层中的负电荷捕获有关，这是已知会增加动态 $R_{DS(on)}$ 的现象。

四、结论与应用

通过 STS8200 测试平台，快速评估了三款 GaN HEMT 器件的动态开关性能和电应力影响，验证了该方法的准确性和稳定性。主要结论如下：

1. 不同制造商的 GaN HEMT 器件在高压电应力下表现出明显的参数变化，开关性能差异显著。

2. 电应力测试结果可用于优化器件设计和验证器件在高频应用中的可靠性。

3. 该测试方法可作为标准可靠性测试（如 DHTOL 和 SALT）的补充，帮助器件和电源设计工程师快速筛选性能优异的 GaN 器件。

展望
未来研究可以进一步结合 GaN HEMT 的电气和热特性建模，分析更复杂的动态特性，为电力电子领域提供更全面的器件评估方法。