遠山半導體發布新一代高壓氮化鎵功率器件
2024-10-16 11:07:26 EETOP氮化鎵功率器件因其高速開關能力、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揮，主要在消費電子領域內競爭價格。近期，隨著高壓氮化鎵器件的陸續推出，我們看到了它們在更廣泛市場應用中的潛力。
遠山半導體最近發布了新一代高壓氮化鎵功率器件，并在泰克先進半導體實驗室進行了詳盡的測試，這些測試結果為我們提供了對遠山半導體氮化鎵功率器件性能的全面了解。目前，遠山現有產品包括700V、1200V、1700V、3300V等多種規格的藍寶石基氮化鎵功率器件，多項性能指標處于行業內領先，主要應用于高功率PD快充、車載充電器、雙向DC-DC、微型逆變器、便攜儲能、V2G等領域。
測試概覽
泰克先進半導體實驗室在今年9月收到了遠山半導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（PSJ：Polarization Super Junction）技術，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，選擇在靜態參數測試系統SPT1000A上進行測試。系統內置吉時利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。在器件導通條件下，Vgs=3V，Id=20A時，我們測得的靜態導通電阻僅為 62.3mΩ。下圖為關斷條件下，漏電流Idss與反偏電壓（0~1500V）的掃描關系曲線。
關斷狀態下反偏電壓與漏電流關系曲線
在過往對氮化鎵功率器件的動態開關參數測試中，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電流崩塌現象，表現為硬開關過程中，導通電阻突然增大，如下圖所示：
傳統氮化鎵功率器件在高壓條件下開關測試容易出現的電流崩塌現象
下圖是遠山半導體提供的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。柵極驅動芯片使用了TI公司的LM5114，可以最高提供7A的瞬態電流。在測試結果中可以看到，藍色的Vds波形在器件導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操作，并沒有導致導通電壓的上升。
在實際測試結果中，器件的開啟延遲Tdon為15.06ns，上升時間Tr為11.1ns，關斷延遲為13.02ns，下降時間Tf為13ns。在高壓大電流的硬開關條件下實現了極高的開關速度。
為了進一步檢驗在高壓條件下的電流崩塌現象，我們通過使用鉗位探頭進行動態導通電阻測試，觀察器件在不同電壓條件下的導通電阻值變化。我們分別在300V，400V，500V，600V四個不同電壓下測試器件的動態導通電阻，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通電阻波形。對比四組動態導通電阻波形，并在相同區域內取值做平均值計算，得到如下的結果：
上圖紅色區域為在300V，400V，500V，600V條件下雙脈沖測試得到的動態導通電阻曲線
測試電壓 | 300V | 400V | 500V | 600V |
導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，器件動態導通電阻僅有非常小的抬升，600V與300V下的測試結果相比，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象。
結論
基于測試結果，可以看到遠山半導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，打破了傳統氮化鎵器件額定電壓650V的限制，在雙脈沖測試中表現出了良好的穩定性，在不同電壓下的動態導通電阻測試也得到了非常一致的結果。
隨著高壓氮化鎵器件的普及，通過設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用市場取得更大的市場空間，為智能電網、電動汽車、可再生能源系統等熱門領域提供了新的可能性。
