引言：数据手册里没告诉你的秘密

在当今追求极致功率密度和效率的电源设计中，高压氮GaNHEMT（高电子迁移率晶体管）已经成为明星器件。无论是服务器电源、数据中心PSU，还是消费类的充电适配器，GaN都在大显身手。作为工程师，我们习惯于查看数据手册（Datasheet）来评估器件性能。其中，RDS(on)（导通电阻）是决定导通损耗的关键参数。但是，你是否遇到过这样的情况：明明按照数据手册的RDS(on)仿真计算出的效率很高，但实测板子的效率却总是有偏差，发热量也超出预期？

这背后的“隐形杀手”，很可能就是动态导通电阻（RDS(on),dyn）。

传统的静态RDS(on)是在直流条件下测量的，而实际应用中，GaN器件处于高速开关状态。受物理特性的影响，GaN在开关过程后的导通电阻可能会暂时性增加。如果忽视这一参数，可能会导致设计无法满足能效标准。

今天，我们将通过英飞凌的深度研究，彻底搞懂RDS(on),dyn的前世今生。

什么是动态导通电阻？它是如何产生的？

简单来说，动态导通电阻是指GaN晶体管在开关操作期间，由于“电子陷阱”效应导致的导通电阻增加现象。

GaNHEMT是一种横向器件，依靠二维电子气（2DEG）层导电。当我们在栅极施加电压时，电子从源极快速流向漏极。但在实际的高压开关操作中，一些“不听话”的电子会被困在器件结构的缺陷中，这就是载流子捕获效应。

如上图所示，当发生电子捕获时，2DEG层中的电子密度降低，宏观表现就是RDS(on)变大，导致电流能力下降。

根据物理机制，这种陷阱效应主要分为两种：

1.关断状态下的捕获（Off-state trapping）

当器件处于关断状态OFF时，漏极承受高压。此时，漏极和衬底之间会建立一个巨大的垂直电场。这会导致漏电流流经硅衬底，使得电子填充到GaN缓冲层的受主能级中。

2.热电子捕获（Hot-electron trapping）

这通常发生在硬开关转换过程中。当器件开启或关断的瞬间，漏极-源极之间存在高电压，同时沟道中流过大电流（即V-I重叠区）。在这种强水平电场的作用下，电子被加速成为“热电子”。这些高能电子可能会逃逸出2DEG通道，被困在其他层中。

系统架构的影响：硬开关vs软开关

由于“热电子捕获”主要发生在电压和电流同时存在的时刻，因此硬开关拓扑（如BoostPFC）受动态电阻的影响通常比软开关拓扑（如LLC、ZVS）更为严重。

硬开关中：每次开关转换都伴随着剧烈的V-I重叠，导致严重的热电子注入效应。

软开关中：电压或电流通常在零值附近切换，没有强电场与大电流共存的时刻，因此热电子捕获效应大大减弱。

不仅要测，还要测得准——测试方法的进阶之路

既然动态导通电阻如此重要，我们该如何测量它？

业界主要有两种流派：双脉冲测试法（DPT）和连续运行测试法（CRT）。

1.双脉冲测试法DPT：简单但有局限

这是最传统的功率器件测试法。通过发送两个脉冲，在第二个脉冲期间捕捉RDS(on)。

优点：简单、快速、设备要求低。

缺点：无法反映系统级参数（如开关频率、占空比）的热效应和累积效应。它更像是一次“快照”，而不是“电影”。

2. 连续运行测试法CRT：更接近真实工况

英飞凌在本研究中采用了更高级的CRT方法。这种方法让器件在真实的电源拓扑如Boost或半桥中连续运行，直到达到热稳定状态。

优点：能模拟真实的开关频率、占空比、母线电压和负载电流，数据更具参考价值。

挑战：测量难度极大。我们需要在几百伏的高压母线电压下，精准捕捉仅有几百毫伏的导通压降。

核心黑科技：双二极管OVM电路

为了在CRT测试中精准测量导通电压，必须使用导通状态电压测量（OVM）电路。传统的OVM电路使用一个二极管来阻断高压。但在测量时，测量值包含了“器件压降+二极管压降”。二极管的压降受温度影响很大，会引入显著误差。

为了解决这个问题，英飞凌采用了创新的双二极管OVM电路（Dual-diode OVM）。如下图所示，该电路引入了第二个完全相同的二极管D2。通过模拟电路将D1的压降抵消：

这一设计极大地提高了微小电压测量的精度。

硬核实测—CoolGaN™的表现究竟如何？

为了全面评估，英飞凌选取了两款不同规格的CoolGaN晶体管进行测试：

IGLD65R140D2：典型值140mΩ，DFN8x封装。

IGT65R035D2：典型值35mΩ，TOLL封装。

测试涵盖了硬开关（Boost电路）和软开关（半桥电路）两种工况，且均在85°C的壳温下进行，以模拟真实应用环境。

1.140mΩ器件测试结果

硬开关工况（Boost）：

条件：400V输入，2A电感电流，100kHz。

静态RDS(on) (85°C)：159mΩ。

动态RDS(on) (85°C)：170mΩ。

结果：动态电阻仅增加了7%。

软开关工况（半桥）：

条件：400V输入，4A峰值电流100kHz。

由于半桥电路中电流会过零，无法直接用V/I计算电阻。测试采用了拟合ID与VDS曲线斜率的方法。

结果：动态电阻仅增加了4%。

2.35mΩ器件测试结果

对于大功率应用常用的35mΩ器件，测试结果同样优秀。

硬开关工况：

静态RDS(on) (85°C)：40.8mΩ。

动态RDS(on) (85°C)：43.9mΩ。

结果：动态电阻增加比率为1.08（即增加8%）。

软开关工况：

结果：动态电阻增加比率为1.06（即增加6%）。

总结了上述测试数据。可以看出，无论是硬开关还是软开关，无论是高阻抗还是低阻抗器件，英飞凌CoolGaN™的动态导通电阻增幅均控制在10%以内。这意味着其性能极其稳定，设计师在进行热设计和效率估算时，无需预留过大的余量。

与竞品的对比分析

没有对比就没有伤害。为了验证CoolGaN™在市场上的地位，研究团队选取了三款来自主要竞争对手的同规格（140mΩ级）GaN器件Competitor A,B,C，在完全相同的硬开关Boost电路条件下进行了测试。

测试结果令人咋舌：

CoolGaN™：动态电阻增幅仅为7%。

竞争对手A/B/C：动态电阻增幅普遍在21%到26%之间。

这意味着，同样的标称参数，在实际运行中，竞品的实际导通损耗要比英飞凌高出一截。如果设计师仅依据数据手册的静态参数选型，而选择了动态性能差的器件，最终产品的效率很可能会达不到预期。

这20%的差异，对系统效率意味着什么？

也许有人会问：“电阻增加个20%，对我的电源效率真有那么大影响吗？”为了量化这一影响，研究基于3.3kW的服务器电源LLC模块进行了系统级仿真评估。

规格：输入400V，输出43-59V，谐振频率400kHz。

场景：作为软开关拓扑，导通损耗是影响效率的主要因素。

仿真假设了不同的动态电阻增幅0%, 20%, 40%, 60%，并计算了对应的效率曲线。

根据曲线：

如果使用动态电阻增加20%的器件（即竞品水平）：

在半载50%Load时，效率下降0.02%。

在满载（100% Load）时，效率下降0.05%。

如果情况更糟，动态电阻增加60%，满载效率将暴跌0.15%。

在追求80Plus钛金牌甚至更高标准的今天0.05%-0.15%的效率差距往往是“达标”与“不达标”的天壤之别。对于数据中心这样的大规模应用，这一点点效率的提升意味着巨大的电费节省和散热成本降低。

结语：选型不仅看静态，更要看动态

通过这篇深入的技术解析，我们可以得出几个关键结论：

动态导通电阻不仅存在，而且不可忽视：它是GaN器件物理特性的一部分，直接影响实际运行效率。

测量方法至关重要：传统的双脉冲测试不足以反映全貌，基于OVM电路的连续运行测试（CRT）才是检验器件成色的试金石。

系统级价值：选用低动态电阻漂移的器件，能够实实在在地提升高功率密度电源的转换效率，尤其是在满载工况下。

对于电源工程师而言，未来的GaN选型，不能只盯着Datasheet上的RDS(on),typ，更要关注厂家提供的动态电阻特性数据。毕竟，看得见的参数决定了设计的上限，而看不见的参数（如动态电阻）往往决定了产品的下限。对于我们GaN的从业者而言我们应该更多的关注于如何实现测量，而不是揪着对比数据，希望各个节点的GaN HEMT从业者都能对动态电阻有个深入的认识。

来源：芯氮鎵速记

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。