T/CASAS 034-2024 用于零电压软开通电路的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)动态导通电阻测试方法

ICS 31.080
CCS L 40/49
团体标准
T/CASAS 034—2024
用于零电压软开通电路的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)动态导通电阻测试方法
Dynamic on-resistance test method for GaN high electron mobilitytransistor (HEMT) in zero-voltage-switching-on circuits
2024-09-30 发布2024-09-30 实施
第三代半导体产业技术创新战略联盟 发布

目 次
前言................................................................................................................................................................... III
引言................................................................................................................................................................... IV
1 范围................................................................................................................................................................. 1
2 规范性引用文件............................................................................................................................................. 1
3 术语和定义..................................................................................................................................................... 1
4 零电压软开通电路动态导通电阻测试原理.................................................................................................. 2
5 测试条件......................................................................................................................................................... 3
6 测试装置......................................................................................................................................................... 4
7 测试程序......................................................................................................................................................... 4
测试方法.................................................................................................................................................. 4
测试流程.................................................................................................................................................. 6
8 数据记录和处理............................................................................................................................................. 7
9 试验报告......................................................................................................................................................... 7
附录 A（资料性）用于零电压软开通电路的GaN HEMT 动态导通电阻测试记录表.............................. 8
参考文献............................................................................................................................................................. 9
T/CASAS 034—2024
III
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规
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佳慧、文豪、谢斌、周泉斌、裴轶、田水林、刘小明、徐迎春、贾利芳、宋清亮、赵晨、徐昌国、王廷
营、毛敏、刘钢、柳树渡、赵燕军、王福强、湛坤、林梓彦、王腾飞、蔡磊、赵璐冰。
T/CASAS 034—2024
IV
引 言
随着电力电子系统对电源模块功率密度的需求不断提升，开关器件在其中的应用趋向高频化。为了
应对高频化开关损耗增加的问题，零电压软开通技术逐渐在基于GaN 器件的高频功率变换中得到广泛
应用，例如DC-DC 中的LLC 谐振变换电路和AC-DC 中的图腾柱PFC 等。在GaN HEMT 功率器件的
开通和关断过程中引入谐振，消除电压和电流的重叠，即为GaN HEMT 的零电压软开通过程。由于GaN
HEMT 在零电压软开通过程中没有热电子冲击，器件沟道中二维电子气浓度的变化情况与硬开通时不
同。现有用于硬开关电路的GaN HEMT 动态导通电阻测试方法中的测试电路无法用于实现零电压软开
通模式，因此，对于工作在零电压软开通模式下的GaN HEMT 动态导通电阻退化问题需要单独评估。
基于这一背景，制定适用于零电压软开通电路的GaN HEMT 动态电阻测试标准具有重要意义。本
文件可用于晶圆级和封装级器件产品测试，但应考虑器件热特性，尽量减少自热效应对测试结果的影响。
对于未切割的小功率晶圆级器件而言，相对其功率等级，其散热能力较好。然而，对于大功率晶圆级器
件和封装级器件，在连续大电流测试过程中，结温明显上升，需要进行散热处理。
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1
用于零电压软开通电路的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)动态导
通电阻测试方法
1 范围
本文件描述了用于零电压软开通电路的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）动态导通电阻测试
方法。
本文件适用于进行GaN HEMT 的生产研发、特性表征、量产测试、可靠性评估及应用评估等工作场
景。可应用于以下器件：
a) GaN 增强型和耗尽型分立电力电子器件；
b) GaN 集成功率电路；
c) 以上的晶圆级及封装级产品。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，
仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本
文件。
T/CASAS 005—2022 用于硬开关电路的氮化镓高电子迁移率晶体管动态导通电阻测试方法
3 术语和定义
T/CASAS 005 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
零电压开通 zero-voltage switching on
ZVSon
电力电子器件在栅压上升（开启）过程中漏极电压为零，无漏极电压与电流交叠的情况。
漏源极导通压降 drain to source voltage of DUT in on-state
VDS(on)
被测器件导通状态下的源漏极压降。
漏极电流 drain current of DUT
ID
器件导通时，从漏极流入的电流值。
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导通时漏极电流的比较值 comparative value of drain current
ID(com)
进行动态电阻测试时，控制的漏极电流值。通常需要大于器件额定电流值的10%。
预电压应力持续时间 time of pre-voltage stress
Pre-tstress
被测器件在开启之前，其两端所承受的预电压应力持续时间。
预电压应力 pre-voltage stress
Pre-Vstress
被测器件在开启之前，其两端所承受的预电压应力幅值。
双脉冲测试 double-pulse test
DPT
在被测器件栅极施加两个开通脉冲信号，使器件实现在设定电压、电流下的动态开关测试。
多脉冲测试 multi-pulse test
MPT
在被测器件栅极施加多个持续开通脉冲信号，使器件实现在设定电压、电流下的动态开关测试。
多组脉冲测试 multi-group-pulse test
MGPT
在被测器件栅极施加多组开通脉冲信号，使器件实现在设定电压、电流下的动态开关测试。每组脉
冲信号内为双脉冲或多个持续脉冲，每组间保持一定时间间隔确保散热。
多组测试之间的电压应力时间 time of voltage stress between different pulse groups
tstress
在多组脉冲测试过程中，组与组之间的电压应力时间。
4 零电压软开通电路动态导通电阻测试原理
如图1(a)所示，动态导通电阻测试电路可以简要划分为“主电路”“被测器件（DUT）”以及“测
量电路”三部分。其中，主电路负责提供器件给定工作模态所需要的电压、电流；被测器件即为所测试
的GaN HEMT样品；电压、电流测试电路负责测量器件开关动作后，稳定导通时两端的VDS(on)以及ID，通
过VDS(on)/ID的方式来计算器件的导通电阻。零电压软开通的定义如图1(b)所示，当被测器件的漏源电压
VDS下降到导通电压（近似0 V）后器件的栅源电压VGS才开始上升，则为零电压软开通。
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可实现零电压软开通的测试电路有多种形式，图2(a)给出了一种最常见的半桥拓扑测试电路供参考。
该测试电路由直流高压电源Vin，蓄能电容CIN、CIN1、CIN2，负载电感L，桥臂上管S1，电压钳位电路与
被测管DUT组成。被测管的开关状态由信号发生装置发出的栅极脉冲信号控制。
图2(b)为采用图2(a)所示的测试电路时，被测器件工作在零电压软开通模式下的典型工作时序图。
首先，在被测器件S2开启之前，先控制上管S1导通一段时间(如100 ns)后关断，负载电感两端电压为-1/2
Vin, 电感电流IL反向增大。在随后的死区时间里，电感电流给被测器件S2的寄生电容放电，使S2两端电
压VDS开始下降。当VDS下降到0 时，S2开始反向导通。因此，当S2的门极脉冲到来时，S2可以实现零电
压软开通。上管S1导通的时间以及死区时间应满足以下条件：电感电流IL反向峰值电流应在保证实现软
开关的前提下尽量小；死区时间的结束时刻建议设置在VDS下降到0 后的50 ns以内。
S2开通后，电感两端电压为1/2Vin，电感电流开始正向充电，电流值升高。S2的漏极电流ID由1/2 Vin，
L及导通时间决定。当达到设定的电流值时，S2关断，电感电流通过S1反向续流，经过一段死区时间后，
S1再次开通。此时负载电感L两端电压为-1/2Vin，IL开始逐渐下降到0 直至反向增大回到之前S2开始导通
前的状态。如此反复，可使S2在之后的每个脉冲开始时，都实现零电压软开通。
DUT
A
V
电流测量
电压
测量
ID
+
_ VDS(on) 主电路
VDS
t
o t
o
VGS
ZVS on
(a)基本电路 (b)零电压软开通波形示意图
图1 动态导通电阻测试电路
Rsh ID
S1
DUT: S2
Vin CIN + L
CIN1
CIN2 钳位
电路
+
- VDS
IL
S2
VDS
t
o t
o
VGS
ID
o t
S1 S2 S1 S2
(a)电路拓扑图 (b)典型工作时序图
图2 一种半桥拓扑零电压软开通测试电路
5 测试条件
测试环境条件应符合以下要求：
a) 测试环境温度要求为25 ℃±2 ℃；
b) 测试环境相对湿度不超过65 %。
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6 测试装置
所使用的测试装置主要包括计算机控制及数据采集系统、电源系统、动态导通电阻测试模块及被测
样品等。其典型构成图如图3所示。
计算机控制及
数据采集系统
动态导通电阻
测试模块
电源
DUT
图3 动态导通电阻测试装置的典型构成
注1：计算机控制及数据采集系统。用于自动控制动态导通电阻测试过程中的参数设置、试验波形及数据记录等；
注2：电源系统。用于为测试过程中提供漏极（VDS）及栅极（VGS）的脉冲电源；
注3：动态导通电阻测试模块。用于实现零电压软开通电路拓扑及相关测试夹具。
7 测试程序
测试方法
零电压软开通过程中，器件动态导通电阻测试的一般方法是驱动器件在规定的开启/关断电压、开
/关脉冲宽度（或占空比）、（双脉冲测试模式中首个脉冲的电流、双脉冲累计测试次数；连续脉冲测
试模式中的连续脉冲单次测试时间、连续脉冲累计测试时间）、电压反偏应力时间等条件下，实现开启
时段的器件导通电压及电流等数据实时记录，从而获取动态导通电阻测试数据，其主要测试流程步骤如
图4所示。
目前用于动态电阻评估的方法分为双脉冲测试（DPT）、连续脉冲测试（MPT）以及多组脉冲测试（MGPT）
等，其中多组连续脉冲测试中每组脉冲可为双脉冲或连续脉冲。以图2(a)测试电路为基础的三种不同测
试方法的参考测试波形如图5所示。
双脉冲测试为经典的功率器件动态开关测试方法，可作为最基本的参考测试方法。GaN HEMT在承受
一段时间的电压反偏应力作用后进行开关动作，其动态导通电阻需要经过一段时间才能达到稳定状态，
而传统的双脉冲测试方法与GaN HEMT的实际工况有偏差，因此可通过连续脉冲测试以期得到更接近真
实工况的测试结果。
对于连续脉冲测试，短时间的连续开关动作容易导致芯片结温的迅速增加（GaN HEMT的静态导通电
阻随结温的增加而增大），为排除结温对动态导通电阻造成的干扰，同时使测得的结果更接近稳定状态，
可采用多组脉冲测试的方法。
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三种测试方法各有优缺点：双脉冲测试方法简单，但不能反映动态导通电阻的稳定状态；连续脉冲
测试更接近真实工况，但要注意测试过程中芯片结温上升对于结果的干扰，在具有高效散热的测试条件
下十分合适；多组脉冲测试中每组脉冲为双脉冲的情况下既能保证动态电阻达到稳定而结温上升可忽
略，在每组脉冲间隙又能使被测器件充分降温，是比较推荐的一种测试方法，多组脉冲测试中每组脉冲
为连续脉冲的测试方法同样需要注意组内被测器件结温升的干扰。
将器件安装在测试装置上
设置测试参数：母线电压（如
Vin）、负载电感量、负载电阻值
（如有）、开/关脉冲宽度、延迟时
间、电压反偏应力时间、双脉冲累
计测试次数等
在第二个脉冲时，当漏极电流ID电
流上升到比较值ID(com)后，或开通时
间达到tm(on)后，同时测量VDS(on)与
ID，并计算得到RDS(dyn)，记录此时
的ID和tm(on)
根据多次重复测试结果，判断
RDS(dyn)值是否稳定
输出最终测试结果
将器件安装在测试装置上
设置测试参数：母线电压（如
Vin）、负载电感量、负载电阻值
（如有）、开/关脉冲宽度、连续脉
冲单次测试时间、延迟时间、电压
反偏应力时间、多脉冲累计测试时
间等）
在连续脉冲阶段，当漏极电流ID电
流上升到比较值ID(com)后，或开通时
间达到tm(on)后，同时测量VDS(on)与
ID，并计算得到RDS(dyn)，记录此时
的ID和tm(on)
根据多次重复测量结果，判断
RDS(dyn)值是否稳定
输出最终测试结果
(a) 双脉冲及多组（双）脉冲测试模式 (b) 连续脉冲及多组（连续）测试模式
图4 动态导通电阻测试简化流程图
VDS
ID(com)
Ton Toff
tm(on)
ID
O Time
VGS
VDS(on) VDS(on)
Pre-tstress
Pre-Vstress VDS
ID(com)
Ton Toff
tm(on)
ID
O Time
VGS
VDS(on) VDS(on)
Pre-tstress
Pre-Vstress
ID(com)
VDS(on)
tcp_s
tm(on)
(a) 双脉冲测试波形图 (b) 连续脉冲测试波形图
图5 基于图2 中测试电路的零电压软开通过程中动态导通电阻测试典型参考波形图
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VDS
ID(com)
Ton Toff
tm(on)
tstress ID(com) tstress
Ton Toff
ID
Time
Ton Toff
tm(on)
O
VGS
ID(com)
tm(on)
第1个双脉冲第2个双脉冲第NDP个双脉冲
VDS(on)
(c) 多组（双）脉冲测试波形图
VDS
ID(com)
Ton Toff
tm(on)
tstress ID(com) tstress ID(com)
Ton Toff
ID
Time
tcp_s
tcp_c
Ton Toff
tm(on) tm(on)
O
VDS(on)
VGS
(d) 多组（连续）脉冲测试波形图
图5 基于图2 中测试电路的零电压软开通过程中动态导通电阻测试典型参考波形图(续)
测试流程
具体测试程序如下：
a） 根据被测GaN HEMT的呈现形式（晶圆级或特定的封装结构），选择合适的探针台或测试夹具；
b） 在控制设备上，设置相关测试参数，包括母线电压（Vin）、负载电感（L）、负载电阻（RL，
如有）、比较电流值（ID(com)）、栅极工作电压(VGS(ON))、栅极关态电压(VGS(OFF))、开态脉冲宽
度（ton）、关态脉冲宽度（toff）、预电压应力及其持续时间（Pre-Vstress,Pre-tstress）、组与组之
间应力持续时间（tstress）、连续脉冲测试模式中的连续脉冲单次测试时间（tcp_s）、连续脉冲
累计测试时间（tcp_c）；双脉冲测试模式中首个脉冲的电流、双脉冲累计测试次数（NDP）、电
压反偏应力时间（tstress）、重复次数、延迟时间（tm(on)）等参数；具体测试要求如下：
1) 测试动态电阻时器件外壳温升（晶圆局部温升）应小于5 ℃；
2) 比较电流ID(com)应达到器件额定连续工作电流的10 %以上，推荐在器件额定连续工作电流
的50 %处进行测量；源漏极压降VDS(OFF)应大于器件额定阻断电压的20 %以上。测试时器
件的工作电压、电流应在其安全工作区域（SOA）内。
3) 器件开启后的钳位电路延迟时间，漏极电压、电流震荡时间均小于1 μs；
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4) 针对连续脉冲测试，连续脉冲单次测试时间宜在100 μs～1 s，电压反偏应力时间应在50
ms 以上，连续脉冲累计测试时间宜在1 s～1 min，以取得稳定测试结果；
5) 针对双脉冲测试，电压反偏应力时间应在20 ms 以上，双脉冲累计测试次数不低于20 次，
以取得稳定测试结果；
6) 尽量降低所引入的寄生参数。
c） 当被测器件处于导通状态且漏极导通电流ID达到设定值ID(com)时，或在导通时间达到tm(on)后，
同时测试被测器件的漏极导通电流ID以及漏源极导通压降VDS(on)，计算得到动态导通电阻值
RDS(dyn)，并记录此时的ID和tm(on)；
d） 根据多次重复测试结果，判断所测试的动态导通电阻RDS(dyn)值是否稳定（变化率小于3 %）；
e） 结束测试，输出和记录相关测试结果及测试波形。
8 数据记录和处理
应记录和处理的数据至少包含以下几方面：
a） 被测试器件漏极导通电流ID；
b） 被测试器件源漏极导通压降VDS(on)；
c） 动态导通电阻值RDS(dyn)=VDS(on)/ID；
d） 测试延迟时间tm(on)、预应力时间等其他测试条件。
9 试验报告
试验报告至少应给出以下几方面的内容：
a） 试验对象；
b） 所使用的标准；
c） 所使用的方法；
d） 结果；
e） 观察到的异常现象；
f） 试验日期。
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附 录 A
（资料性）
用于零电压软开通电路的GaN HEMT 动态导通电阻测试记录表
A.1 用于零电压软开通电路的GaN HEMT 动态导通电阻测试记录表
表A.1 动态导通电阻测试记录表示例
产品名称
型号规格
组别
检测项目 环境条件
检测日期
测试
仪器仪表
型号：
计量有效期
编号：
检测依据
标准条款
样品
数量
测试条件及技术要求
双脉冲测试模式
首个脉冲电流：
连续脉冲测试模式
连续脉冲单次测试时间： 连续脉冲累计测试时间：
多组（双）脉冲测试模式
首个脉冲电流： 双脉冲累计测试次数：
组与组之间应力持续时间（tstress）：
多组（连续）脉冲测试模式
单组脉冲电流： 连续脉冲累计测试次数：
组与组之间应力持续时间（tstress）：
源漏极压降(VDS(OFF))：
电流比较值(ID(COM))：
测试延迟时间（tm(on)）：
负载电感量（L）：
预电压应力持续时间（Pre-tstress）:
开态脉冲宽度(ton)： 关态脉冲宽度(toff)：
样品编号
测试结果
测试延迟时间（tm(on)） 电流??D 电压VDS(on) 动态导通电阻值RDS(dyn)
1
2
3
…
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9
参 考 文 献
[1] IEC 60747-8:2010 Semiconductor devices-Discrete device-Part 8：Field-effect
transistors
[2] JEP173:2019 Dynamic ON-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT based Power
Conversion Devices, Version 1.0
[3] Li R, Wu X, Yang S, et al. Dynamic On-State Resistance Test and Evaluation of GaN
Power Devices Under Hard- and Soft-Switching Conditions by Double and Multiple
Pulses[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(2): 1044–1053
[4] Li K, Videt A, Idir N, et al. Accurate Measurement of Dynamic On-State Resistances
of GaN Devices Under Reverse and Forward Conduction in High Frequency Power
Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(9): 9650–9660
©第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）