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

作者：泰克科技

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。

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，陪测器件使用一颗1200V SiC 二极管。（测试条件：陪测管SiC 二极管，Ron = Roff = 10Ω，负载电感400uH，Vds: 800V，Vgs: 0~12V, Id: 15A）



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。



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。

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。