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泰克先进半导体实验室:量芯微1200V氮化镓器件的突破性测试

发表时间:2024-10-21 15:53

在泰克先进半导体开放实验室,2024年8月份,我们有幸见证了量芯微(GaN Power)新一代1200V氮化镓(GaN)功率器件的动态参数测试。量芯微作为全球首家成功流片并量产1200V氮化镓功率器件的厂商,其最新产品在性能上的显著提升,不仅展现了技术的进步,也为我们的客户带来了新的解决方案。


泰克先进半导体实验室


测试概览

今年8月,我们收到了量芯微提供的新一代高压氮化镓器件,其额定工作条件提升至1200V/20A(70mΩ),在栅极电压12V的条件下,输出电流提升至20A以上。这一性能的提升,使得量芯微的GaN器件在工作性能上可与同规格的碳化硅(SiC)器件相媲美。

下图是量芯微提供的TO-247封装GaN HEMT器件在1200V/15A条件下进行开关测试的波形,栅极电压为0-12V,配测器件使用一颗1200V SiC二极管。(测试条件:配测管SiC二极管,Ron = Roff = 10Ω,负载电感400uH,Vds: 800V,Vgs: 0~12V, Id: 15A)

泰克先进半导体实验室

测试挑战与解决方案

平面结构氮化镓功率器件实现高压开关,主要难点是解决电流崩塌问题。GaN功率器件在导通过程中的导通电阻值Rdson值被称为动态导通电阻,其详细定义和测试方法参见JEP173。常见的GaN器件,当工作电压超过700V时,会出现电流崩塌。动态导通电阻会突然上升,在大电流、高频率工作时,这一问题尤其严重,导致器件发热,导通损耗加大,电流上升受阻等现象。量芯微这次提供的新一代1200V功率器件也是全球第一款在高频、高压开关下实现稳定动态导通电阻的氮化镓产品。

DPT1000A测试机台

双脉冲测试使用泰克先进半导体实验室提供的DPT1000A测试机台,测试平台使用高压测试板,配备泰克公司高分辨率示波器MSO58B ,1GHz带宽8通道示波器,AFG31000双通道信号源和Magnapower 2000V高压系统电源。使用泰克公司TPP1000A单端探头测试栅极电压和THDP0200高压差分探头测试源漏极电压,电流探头使用T&M公司的400MHz带宽电流传感器。

为了验证动态导通电阻的性能,我们还使用了带有钳位功能的电压探头,进行钳位电压测试,由于示波器的纵向分辨率有限,即使是高分辨率示波器,也不能在高压量程下精确测试几伏特的导通电压。根据JEDEC提供的JEP173测试指南,建议通过钳位电路对导通状态下的低压Vds进行测试(参见下图)。以往的钳位电路因为GaN器件测试电压较低,通常500V耐压条件就可以满足测试要求。另外,钳位电路在开关过程中会引入较大的震荡,且震荡持续时间较长,影响动态导通电阻的判断。这次我们使用了1200V耐压的钳位探头进行Vds测试,用来得到更高电压条件下的钳位测试结果。

泰克先进半导体实验室

测试结果

得到钳位后的Vds-clamp电压和导通电流Id波形后,通过计算可以得到器件在导通状态下的动态导通电阻曲线。我们在双脉冲测试过程中,同时连接钳位探头,实测电路如下图所示:

下图是增加了钳位电压测试功能的波形结果,其中CH1是栅极电压Vgs,CH2是源漏极电压Vds,C3是漏极电流Id,C4是钳位后的源漏极电压Vds-clamp,M1是动态导通电阻Rdson的计算结果,计算方法M1 = C4 / C3。放大M1的测试波形,可以在导通阶段看到动态导通电阻波形曲线。可以看到钳位电压波形相对稳定,且波形震荡时间较短,可以在几百纳秒时间内获取稳定的动态导通电阻读数。

|结论|

根据计算,Vbus等于400V时,动态导通电阻约为93mΩ;Vbus等于600V时,动态导通电阻约为95m欧姆;Vbus等于800V时,动态导通电阻约为101mΩ。相比在静态条件下测试得到的导通电阻74mΩ,开关条件下随Vbus电压上升,器件的动态导通电阻退化非常有限,且阻值非常接近静态导通电阻测试结果。

测试条件

Vbus(v)

Rdsin(ohm)


_

400V

0.093

Vgs=0~12V

600V

0.095

Rgon=Rgoff=10Ω

700V

0.095

Id=20A

800V

0.101

过去几年里,行业对于GaN功率器件是否能够突破小众应用场景一直保持疑虑。1000V以上应用市场仍然属于硅基IGBT和SiC功率器件。GaN大规模应用意味着它必须支持更宽泛的电压电流范围,更多的应用场景,以及更好的性价比。量芯微通过不懈努力,使平面结构GaN器件实现1200V高压工作,其高压GaN在开关和静态特性上已经可以媲美相同规格的SiC器件。这将为GaN功率器件进一步拓展了新能源,电动汽车,电力电子等行业的应用场景,打开了新的可能性。




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