【導(dǎo)讀】氮化鎵功率器件因其高速開關(guān)能力、高功率密度和成本效益而成為市場的熱門選擇。然而，由于工作電壓和長期可靠性的制約，這些器件的潛力并未得到充分發(fā)揮，主要在消費電子領(lǐng)域內(nèi)競爭價格。近期，隨著高壓氮化鎵器件的陸續(xù)推出，我們看到了它們在更廣泛市場應(yīng)用中的潛力。
氮化鎵功率器件因其高速開關(guān)能力、高功率密度和成本效益而成為市場的熱門選擇。然而，由于工作電壓和長期可靠性的制約，這些器件的潛力并未得到充分發(fā)揮，主要在消費電子領(lǐng)域內(nèi)競爭價格。近期，隨著高壓氮化鎵器件的陸續(xù)推出，我們看到了它們在更廣泛市場應(yīng)用中的潛力。
遠山半導(dǎo)體最近發(fā)布了新一代高壓氮化鎵功率器件，并在泰克先進半導(dǎo)體實驗室進行了詳盡的測試，這些測試結(jié)果為我們提供了對遠山半導(dǎo)體氮化鎵功率器件性能的全面了解。目前，遠山現(xiàn)有產(chǎn)品包括700V、1200V、1700V、3300V等多種規(guī)格的藍寶石基氮化鎵功率器件，多項性能指標處于行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，主要應(yīng)用于高功率PD快充、車載充電器、雙向DC-DC、微型逆變器、便攜儲能、V2G等領(lǐng)域。
測試概覽
泰克先進半導(dǎo)體實驗室在今年9月收到了遠山半導(dǎo)體寄送的新一代常開型（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題，他們采用特有的極化超級結(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）。
對于器件的直流參數(shù)，選擇在靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)SPT1000A上進行測試。系統(tǒng)內(nèi)置吉時利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，我們測得的靜態(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
在過往對氮化鎵功率器件的動態(tài)開關(guān)參數(shù)測試中，采用DFN8x8封裝的功率器件多為650V電壓等級，雙脈沖開關(guān)測試大多在400V條件下進行。在高壓測試中，氮化鎵器件比較容易出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象，表現(xiàn)為硬開關(guān)過程中，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關(guān)測試容易出現(xiàn)的電流崩塌現(xiàn)象
下圖是遠山半導(dǎo)體提供的DFN8*8封裝GaN HEMT器件在高壓600V以及20A條件下進行開關(guān)測試的波形，柵極電壓為-6V~+3V，使用同型號氮化鎵器件作為陪測。（測試條件：同型號D-Mode 常開型氮化鎵器件，Ron = Roff = 1Ω，負載電感 75uH，Vds: 600V，Vgs: -6V~+3V, Id: 20A）
在測試過程中，使用了DPT1000A功率器件測試系統(tǒng)中的氮化鎵測試電路，其中柵極探頭使用1GHz帶寬的TPP1000A，Vds測試使用800MHz帶寬的高壓單端探頭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。在測試結(jié)果中可以看到，藍色的Vds波形在器件導(dǎo)通過程中電壓非常接近0V，表示功率器件在高壓下的硬開關(guān)操作，并沒有導(dǎo)致導(dǎo)通電壓的上升。
在實際測試結(jié)果中，器件的開啟延遲Tdon為15.06ns，上升時間Tr為11.1ns，關(guān)斷延遲為13.02ns，下降時間Tf為13ns。在高壓大電流的硬開關(guān)條件下實現(xiàn)了極高的開關(guān)速度。
為了進一步檢驗在高壓條件下的電流崩塌現(xiàn)象，我們通過使用鉗位探頭進行動態(tài)導(dǎo)通電阻測試，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四個不同電壓下測試器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻，即使用鉗位后的Vds與電流Id波形相除，得到器件在開啟后的導(dǎo)通電阻波形。對比四組動態(tài)導(dǎo)通電阻波形，并在相同區(qū)域內(nèi)取值做平均值計算，得到如下的結(jié)果：
上圖紅色區(qū)域為在300V，400V，500V，600V條件下雙脈沖測試得到的動態(tài)導(dǎo)通電阻曲線
測試電壓 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，隨著測試電壓的升高，器件動態(tài)導(dǎo)通電阻僅有非常小的抬升，600V與300V下的測試結(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
基于測試結(jié)果，可以看到遠山半導(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，在雙脈沖測試中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，在不同電壓下的動態(tài)導(dǎo)通電阻測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，通過設(shè)計和工藝的改進以及成本的進一步下降，相信氮化鎵器件會在電力電子應(yīng)用市場取得更大的市場空間，為智能電網(wǎng)、電動汽車、可再生能源系統(tǒng)等熱門領(lǐng)域提供了新的可能性。
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