【導(dǎo)讀】氮化鎵功率器件因其高速開(kāi)關(guān)能力、高功率密度和成本效益而成為市場(chǎng)的熱門(mén)選擇。然而，由于工作電壓和長(zhǎng)期可靠性的制約，這些器件的潛力并未得到充分發(fā)揮，主要在消費(fèi)電子領(lǐng)域內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格。近期，隨著高壓氮化鎵器件的陸續(xù)推出，我們看到了它們?cè)诟鼜V泛市場(chǎng)應(yīng)用中的潛力。
氮化鎵功率器件因其高速開(kāi)關(guān)能力、高功率密度和成本效益而成為市場(chǎng)的熱門(mén)選擇。然而，由于工作電壓和長(zhǎng)期可靠性的制約，這些器件的潛力并未得到充分發(fā)揮，主要在消費(fèi)電子領(lǐng)域內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格。近期，隨著高壓氮化鎵器件的陸續(xù)推出，我們看到了它們?cè)诟鼜V泛市場(chǎng)應(yīng)用中的潛力。
遠(yuǎn)山半導(dǎo)體最近發(fā)布了新一代高壓氮化鎵功率器件，并在泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了詳盡的測(cè)試，這些測(cè)試結(jié)果為我們提供了對(duì)遠(yuǎn)山半導(dǎo)體氮化鎵功率器件性能的全面了解。目前，遠(yuǎn)山現(xiàn)有產(chǎn)品包括700V、1200V、1700V、3300V等多種規(guī)格的藍(lán)寶石基氮化鎵功率器件，多項(xiàng)性能指標(biāo)處于行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，主要應(yīng)用于高功率PD快充、車(chē)載充電器、雙向DC-DC、微型逆變器、便攜儲(chǔ)能、V2G等領(lǐng)域。
測(cè)試概覽
泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室在今年9月收到了遠(yuǎn)山半導(dǎo)體寄送的新一代常開(kāi)型（Normally-ON）高壓氮化鎵器件。為了解決氮化鎵功率器件固有的電流崩塌問(wèn)題，他們采用特有的極化超級(jí)結(jié)（PSJ：Polarization Super Junction）技術(shù)，將器件的額定工作電壓和工作電流提升到（1200V/20A）。
對(duì)于器件的直流參數(shù)，選擇在靜態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)SPT1000A上進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)內(nèi)置吉時(shí)利2657A高壓源表和2636B高精度源表，最高可以支持3000V，1000A下的I-V和C-V特性測(cè)試。
在柵極電壓-8V，Id=1uA的條件下，這款氮化鎵功率器件的擊穿電壓BVDSS達(dá)到1505V。器件的閾值電壓約為-3.9V。在器件導(dǎo)通條件下，Vgs=3V，Id=20A時(shí)，我們測(cè)得的靜態(tài)導(dǎo)通電阻僅為 62.3mΩ。下圖為關(guān)斷條件下，漏電流Idss與反偏電壓（0~1500V）的掃描關(guān)系曲線。
關(guān)斷狀態(tài)下反偏電壓與漏電流關(guān)系曲線
在過(guò)往對(duì)氮化鎵功率器件的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)參數(shù)測(cè)試中，采用DFN8x8封裝的功率器件多為650V電壓等級(jí)，雙脈沖開(kāi)關(guān)測(cè)試大多在400V條件下進(jìn)行。在高壓測(cè)試中，氮化鎵器件比較容易出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象，表現(xiàn)為硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中，導(dǎo)通電阻突然增大，如下圖所示：
傳統(tǒng)氮化鎵功率器件在高壓條件下開(kāi)關(guān)測(cè)試容易出現(xiàn)的電流崩塌現(xiàn)象
下圖是遠(yuǎn)山半導(dǎo)體提供的DFN8*8封裝GaN HEMT器件在高壓600V以及20A條件下進(jìn)行開(kāi)關(guān)測(cè)試的波形，柵極電壓為-6V~+3V，使用同型號(hào)氮化鎵器件作為陪測(cè)。（測(cè)試條件：同型號(hào)D-Mode 常開(kāi)型氮化鎵器件，Ron = Roff = 1Ω，負(fù)載電感 75uH，Vds: 600V，Vgs: -6V~+3V, Id: 20A）
在測(cè)試過(guò)程中，使用了DPT1000A功率器件測(cè)試系統(tǒng)中的氮化鎵測(cè)試電路，其中柵極探頭使用1GHz帶寬的TPP1000A，Vds測(cè)試使用800MHz帶寬的高壓?jiǎn)味颂筋^TPP0850，電流探頭使用T&M公司提供的2GHz電流傳感器。柵極驅(qū)動(dòng)芯片使用了TI公司的LM5114，可以最高提供7A的瞬態(tài)電流。在測(cè)試結(jié)果中可以看到，藍(lán)色的Vds波形在器件導(dǎo)通過(guò)程中電壓非常接近0V，表示功率器件在高壓下的硬開(kāi)關(guān)操作，并沒(méi)有導(dǎo)致導(dǎo)通電壓的上升。
在實(shí)際測(cè)試結(jié)果中，器件的開(kāi)啟延遲Tdon為15.06ns，上升時(shí)間Tr為11.1ns，關(guān)斷延遲為13.02ns，下降時(shí)間Tf為13ns。在高壓大電流的硬開(kāi)關(guān)條件下實(shí)現(xiàn)了極高的開(kāi)關(guān)速度。
為了進(jìn)一步檢驗(yàn)在高壓條件下的電流崩塌現(xiàn)象，我們通過(guò)使用鉗位探頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試，觀察器件在不同電壓條件下的導(dǎo)通電阻值變化。我們分別在300V，400V，500V，600V四個(gè)不同電壓下測(cè)試器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，即使用鉗位后的Vds與電流Id波形相除，得到器件在開(kāi)啟后的導(dǎo)通電阻波形。對(duì)比四組動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻波形，并在相同區(qū)域內(nèi)取值做平均值計(jì)算，得到如下的結(jié)果：
上圖紅色區(qū)域?yàn)樵?00V，400V，500V，600V條件下雙脈沖測(cè)試得到的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻曲線
測(cè)試電壓 300V 400V 500V 600V
導(dǎo)通電阻平均值歸一化（Normalized Ron） 1 1.02 1.04 1.064
可以看到的是，隨著測(cè)試電壓的升高，器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻僅有非常小的抬升，600V與300V下的測(cè)試結(jié)果相比，僅上升6.4%，非常好的克服了氮化鎵器件在高壓條件下的電流崩塌現(xiàn)象。
結(jié)論
基于測(cè)試結(jié)果，可以看到遠(yuǎn)山半導(dǎo)體這次提供的氮化鎵功率器件在高電壓大電流條件下的良好表現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)氮化鎵器件額定電壓650V的限制，在雙脈沖測(cè)試中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，在不同電壓下的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試也得到了非常一致的結(jié)果。
隨著高壓氮化鎵器件的普及，通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)以及成本的進(jìn)一步下降，相信氮化鎵器件會(huì)在電力電子應(yīng)用市場(chǎng)取得更大的市場(chǎng)空間，為智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源系統(tǒng)等熱門(mén)領(lǐng)域提供了新的可能性。
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