泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室：量芯微1200V氮化鎵器件的突破性測(cè)試

在泰克先進(jìn)半導(dǎo)體開放實(shí)驗(yàn)室，2024年8月份，我們有幸見證了量芯微（GaN Power）新一代1200V氮化鎵（GaN）功率器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試。量芯微作為全球首家成功流片并量產(chǎn)1200V氮化鎵功率器件的廠商，其最新產(chǎn)品在性能上的顯著提升，不僅展現(xiàn)了技術(shù)的進(jìn)步，也為我們的客戶帶來(lái)了新的解決方案。

1 測(cè)試概覽

今年8月，我們收到了量芯微提供的新一代高壓氮化鎵器件，其額定工作條件提升至1200V/20A（70mΩ），在柵極電壓12V的條件下，輸出電流提升至20A以上。這一性能的提升，使得量芯微的GaN器件在工作性能上可與同規(guī)格的碳化硅（SiC）器件相媲美。

下圖是量芯微提供的TO-247封裝GaN HEMT器件在1200V/15A條件下進(jìn)行開關(guān)測(cè)試的波形，柵極電壓為0-12V，陪測(cè)器件使用一顆1200V SiC 二極管。（測(cè)試條件：陪測(cè)管SiC 二極管，Ron = Roff = 10Ω，負(fù)載電感400uH，Vds: 800V，Vgs: 0~12V, I_d: 15A）

2 測(cè)試挑戰(zhàn)與解決方案

平面結(jié)構(gòu)氮化鎵功率器件實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)，主要難點(diǎn)是解決電流崩塌問題。GaN功率器件在導(dǎo)通過程中的導(dǎo)通電阻值Rdson值被稱為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，其詳細(xì)定義和測(cè)試方法參見JEP173。常見的GaN器件，當(dāng)工作電壓超過700V時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流崩塌。動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻會(huì)突然上升，在大電流、高頻率工作時(shí)，這一問題尤其嚴(yán)重，導(dǎo)致器件發(fā)熱，導(dǎo)通損耗加大，電流上升受阻等現(xiàn)象。量芯微這次提供的新一代 1200V 功率器件也是全球第一款在高頻、高壓開關(guān)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的氮化鎵產(chǎn)品。

雙脈沖測(cè)試使用泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室提供的DPT1000A測(cè)試機(jī)臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)使用高壓測(cè)試板，配備泰克公司高分辨率示波器MSO58B，1GHz帶寬8通道示波器，AFG31000雙通道信號(hào)源和Magnapower 2000V高壓系統(tǒng)電源。使用泰克公司TPP1000A單端探頭測(cè)試柵極電壓和THDP0200高壓差分探頭測(cè)試源漏極電壓，電流探頭使用T&M公司的400MHz帶寬電流傳感器。

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的性能，我們還使用了帶有鉗位功能的電壓探頭，進(jìn)行鉗位電壓測(cè)試，由于示波器的縱向分辨率有限，即使是高分辨率示波器，也不能在高壓量程下精確測(cè)試幾伏特的導(dǎo)通電壓。根據(jù)JEDEC提供的JEP173測(cè)試指南，建議通過鉗位電路對(duì)導(dǎo)通狀態(tài)下的低壓Vds進(jìn)行測(cè)試（參見下圖）。以往的鉗位電路因?yàn)镚aN器件測(cè)試電壓較低，通常500V耐壓條件就可以滿足測(cè)試要求。另外，鉗位電路在開關(guān)過程中會(huì)引入較大的震蕩，且震蕩持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，影響動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的判斷。這次我們使用了1200V耐壓的鉗位探頭進(jìn)行Vds測(cè)試，用來(lái)得到更高電壓條件下的鉗位測(cè)試結(jié)果。

3 測(cè)試結(jié)果

得到鉗位后的Vds-clamp電壓和導(dǎo)通電流I_d波形后，通過計(jì)算可以得到器件在導(dǎo)通狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻曲線。我們?cè)陔p脈沖測(cè)試過程中，同時(shí)連接鉗位探頭，實(shí)測(cè)電路如下圖所示：

下圖是增加了鉗位電壓測(cè)試功能的波形結(jié)果，其中CH1是柵極電壓Vgs，CH2是源漏極電壓Vds，C3是漏極電流I_d，C4是鉗位后的源漏極電壓Vds-clamp，M1是動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻Rdson的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算方法M1 = C4 / C3。放大M1的測(cè)試波形，可以在導(dǎo)通階段看到動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻波形曲線。可以看到鉗位電壓波形相對(duì)穩(wěn)定，且波形震蕩時(shí)間較短，可以在幾百納秒時(shí)間內(nèi)獲取穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻讀數(shù)。

4 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算，Vbus等于400V時(shí)，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻約為93mΩ；Vbus等于600V時(shí)，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻約為95m歐姆；Vbus等于800V時(shí)，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻約為101mΩ。相比在靜態(tài)條件下測(cè)試得到的導(dǎo)通電阻74mΩ，開關(guān)條件下隨Vbus電壓上升，器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化非常有限，且阻值非常接近靜態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試結(jié)果。

過去幾年里，行業(yè)對(duì)于GaN功率器件是否能夠突破小眾應(yīng)用場(chǎng)景一直保持疑慮。1000V以上應(yīng)用市場(chǎng)仍然屬于硅基IGBT和SiC功率器件。GaN大規(guī)模應(yīng)用意味著它必須支持更寬泛的電壓電流范圍，更多的應(yīng)用場(chǎng)景，以及更好的性價(jià)比。量芯微通過不懈努力，使平面結(jié)構(gòu)GaN器件實(shí)現(xiàn)1200V高壓工作，其高壓GaN在開關(guān)和靜態(tài)特性上已經(jīng)可以媲美相同規(guī)格的SiC器件。這將為GaN功率器件進(jìn)一步拓展了新能源，電動(dòng)汽車，電力電子等行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，打開了新的可能性。

（本文登于EEPW 2024年9月期）