GaN器件由于封装和结构的不同可分为两类：Cascode型和E-mode型。根据GaN器件数据手册中推荐测试条件，其电压变化率可达100kV/µs，电流变化率可达1kA/µs，而GaN器件在不同的应用场合有不同需求，不同开关速度下的器件开关特性有所不同，表现出的性能优势有所差异。
因此，这里基于Cascode型TPH3205W（650V/35A）和E-mode GS66508P（650V/30A）两款同电压等级、不同类型的GaN器件，在精确测量的基础上，对高频工况下GaN器件的开关特性进行测试，并分析实验结果。
1. GaN器件的高频开关测试平台
高频GaN器件在应用前，需对其开关特性进行测试，可通过双脉冲测试平台实现，见图1。
图1 双脉冲测试电路
其中，Vtest为被测管；L为建流电感；VD1为Vtest关断时的续流二极管，用于为L续流，无感电阻Rsp用于测试电流id。建流公式为：
uds＝Ldid/dt （1）
1.1 不同电流测量方式比较
对GaN器件进行精确测试的过程中，不同电流测量方式的精确度不一致，尤其在高频工况下影响明显。这里对比了两种不同电流测量方式的优劣性。图2示出相同测试条件（400V/10A）下，Vishay采样电阻和同轴分流器所测得的电流波形。
图2 不同测试方法对电流电压测试结果的影响
由图可见，采用Vishay采样电阻所测得的电流波形尖峰及电流变化率di/dt更大。这是由于无感电阻的测试点内仍包含较小的寄生电感，具体模型如图3a所示，极高的di/dt在测试点内的寄生电感上产生感应电势，导致测试点两端电压Ui比实际值高，使测试波形失真。
Ui=iRsp+Lspdi/dt （2）
式中：i为流过Rsp电流；Lsp为包含在测试点内的寄生电感。同轴分流器的模型如图3b所示，由于测试点内不包含寄生电感，因此测试结果更为精确。
图3 电流测量方式模型
综上所述，为提高电流测量精确度，应该选用同轴分流器测量id。1.2 双脉冲驱动电路的高频回路优化设计
以TPH3205W的双脉冲测试平台为例，探讨双脉冲驱动电路的高频回路优化设计。
1.2.1 高频驱动回路参数设计约束
驱动回路中存在的栅极寄生电感Lg、共源电感Lcs与驱动回路中栅极电阻Rg、栅源极结电容Cgs共同形成了RLC谐振回路，如图4所示。RLC谐振回路会导致GaN器件在开通关断过程中发生谐振，因其本身导通电阻较小，该谐振不易收敛，容易造成持续振荡现象。驱动回路栅源极电压变化方程为：
图4 TPH3205W开通和关断过程示意图
ugs不出现振荡的临界条件为：
1.2.2 高频驱动回路优化
高频工况下，驱动回路的寄生电感Ldri开始对GaN器件的开关过程产生影响，易引发谐振，影响器件开关波形，进而影响器件稳定性和开关损耗。图5为考虑Ldri的双脉冲测试原理图。通过合理更改PCB驱动回路布局，缩短驱动回路路径，进而减小Ldri，终版双脉冲测试平台Ldri仅为6.66nH。
图5 Ldri的双脉冲测试平台
对比分析给出初版和终版GaN器件的高频开关特性测试波形，如图6所示。
图6 Ldri对开关波形的影响
初版PCB明显不符合设计约束，漏极电流id心存在明显振荡，导致GaN器件开关损耗增大，器件过热；终版PCB符合要求，髙频驱动回路寄生电感优化设计合理有效。2. 两种不同GaN器件开关特性研究
基于上述电流测试方式和高频驱动回路设计选择，针对TPH3205W和GS66508P两款同电压等级下的GaN器件分别进行测试评估，对比分析其开关特性测试结果。
2.1 TPH3205W开关特性测试
TPH3205W为Cascode型GaN器件，其内部结构如图7所示。
图7 TPH3205W双脉冲测试平台
2.1.1 正向动态特性测试
通过双脉冲测试平台，测试条件：400V/18A，ugs＝12V，L＝1mH，驱动电阻10Ω/3.3Ω情况下，TPH3205W的典型开关波形如图8所示。
图8 TPH3205W典型开关波形
由图可见，在开通时刻id最大值为28.8A，电流上升时间为12ns，di/dt≈2400A/µs，uds下降时间为10.9ns，du/dt≈37V/ns；在关断时刻，uds上升时间为7ns，du/dt≈45V/ns。开通损耗Eon=73.38µJ，关断损耗Eoff＝25µJ。2.1.2 反向动态特性测试
反向动态特性测试的实质是对TPH3205W的体二极管进行评估，而反向恢复特性则是衡量二极管动态性能最重要的指标。
测试条件为400V/18A，TPH3205W典型反向恢复波形见图9a。反向恢复电流峰值Irrm=12.4A，反向恢复时间trr=13.2ns，di/dt≈1100A/µs。
根据测试结果，可得TPH3205W的Eon和Eoff随id变化的情况。图9b为通过测试数据计算得到的开关损耗曲线。通过数据拟合，可得到开通和关断损耗的数学模型为：
图9 TPH3205W动态测试波形
2.2 GS66508P开关特性测试
2.2.1 正向动态特性测试
测试设备、条件均与上一节相同，其中取ugs为6V符合驱动范围，根据双脉冲测试平台，GS66508P的典型开关波形如图10所示。
图10 GS66508P典型开关波形
开通时刻id的最大值为30A，电流上升时间10ns，di/dt＝3000A/µs，uds下降时间6ns，du/dt＝53.3V/ns；关断时刻，uds上升时间为6ns，du/dt≈53.3V/ns；Eon=64.26µJ，Eoff=27µJ。2.2.2反向动态特性测试
因GS65508P无体二极管，即无二极管所独有的反向恢复过程，则其反向动态测试即为沟道关闭过程。图11a为GS65508P关断时刻的电流波。Irrm=11.4A，di/di≈1100A/µs，trr=16.4ns。
根据测试结果，可得GS66508P的Eon和Eoff随id变化的情况。图11b为通过测试数据计算得到GS66508P的开关损耗曲线。通过数据拟合，可得到Eonv和Eoffv的数学模型为：
图11 GS66508P动态测试波形
2.3开关特性对比分析
表1为两种不同器件的数据手册与实验结果的对比。数据手册中使用最优的测试条件测量不同的特性，测量初始条件有所变动，而实际高频应用中器件的初始相同，因此测量结果有所偏差。
表1 特性对比
3. 结论
基于实际应用条件研宂650V不同类型和封装的GaN HEMT开关特性。在高频工况下，搭建双脉冲测试平台，测试两种GaN器件在400V/18A，驱动电阻10Ω/3.3Ω条件下的开关特性。实验证明：E-mode型GaN器件GS66508P正向导通特性更优异，开通速度更快，损耗更小；Cascode型GaN器件TPH3205W反向恢复特性更优异，反向恢复时间更短，反向导通压降更小，因此对于开关管反向导通的桥式电路，TPH3205W更适用。