在泰克先進半導體開放實驗室，2024年8月份，我們有幸見證了量芯微（GaN Power）新一代1200V氮化鎵（GaN）功率器件的動態參數測試。量芯微作為全球首家成功流片并量產1200V氮化鎵功率器件的廠商，其最新產品在性能上的顯著提升，不僅展現了技術的進步，也為我們的客戶帶來了新的解決方案。
測試概覽
今年8月，我們收到了量芯微提供的新一代高壓氮化鎵器件，其額定工作條件提升至1200V/20A（70mΩ），在柵極電壓12V的條件下，輸出電流提升至20A以上。這一性能的提升，使得量芯微的GaN器件在工作性能上可與同規格的碳化硅（SiC）器件相媲美。
下圖是量芯微提供的TO-247封裝GaN HEMT器件在1200V/15A條件下進行開關測試的波形，柵極電壓為0-12V，配測器件使用一顆1200V SiC二極管。（測試條件：配測管SiC二極管，Ron = Roff = 10Ω，負載電感400uH，Vds: 800V，Vgs: 0~12V, Id: 15A）
測試挑戰與解決方案
平面結構氮化鎵功率器件實現高壓開關，主要難點是解決電流崩塌問題。GaN功率器件在導通過程中的導通電阻值Rdson值被稱為動態導通電阻，其詳細定義和測試方法參見JEP173。常見的GaN器件，當工作電壓超過700V時，會出現電流崩塌。動態導通電阻會突然上升，在大電流、高頻率工作時，這一問題尤其嚴重，導致器件發熱，導通損耗加大，電流上升受阻等現象。量芯微這次提供的新一代1200V功率器件也是全球第一款在高頻、高壓開關下實現穩定動態導通電阻的氮化鎵產品。
DPT1000A測試機臺
雙脈沖測試使用泰克先進半導體實驗室提供的DPT1000A測試機臺，測試平臺使用高壓測試板，配備泰克公司高分辨率示波器MSO58B ，1GHz帶寬8通道示波器，AFG31000雙通道信號源和Magnapower 2000V高壓系統電源。使用泰克公司TPP1000A單端探頭測試柵極電壓和THDP0200高壓差分探頭測試源漏極電壓，電流探頭使用T&M公司的400MHz帶寬電流傳感器。
為了驗證動態導通電阻的性能，我們還使用了帶有鉗位功能的電壓探頭，進行鉗位電壓測試，由于示波器的縱向分辨率有限，即使是高分辨率示波器，也不能在高壓量程下精確測試幾伏特的導通電壓。根據JEDEC提供的JEP173測試指南，建議通過鉗位電路對導通狀態下的低壓Vds進行測試（參見下圖）。以往的鉗位電路因為GaN器件測試電壓較低，通常500V耐壓條件就可以滿足測試要求。另外，鉗位電路在開關過程中會引入較大的震蕩，且震蕩持續時間較長，影響動態導通電阻的判斷。這次我們使用了1200V耐壓的鉗位探頭進行Vds測試，用來得到更高電壓條件下的鉗位測試結果。
測試結果
得到鉗位后的Vds-clamp電壓和導通電流Id波形后，通過計算可以得到器件在導通狀態下的動態導通電阻曲線。我們在雙脈沖測試過程中，同時連接鉗位探頭，實測電路如下圖所示：
下圖是增加了鉗位電壓測試功能的波形結果，其中CH1是柵極電壓Vgs，CH2是源漏極電壓Vds，C3是漏極電流Id，C4是鉗位后的源漏極電壓Vds-clamp，M1是動態導通電阻Rdson的計算結果，計算方法M1 = C4 / C3。放大M1的測試波形，可以在導通階段看到動態導通電阻波形曲線?？梢钥吹姐Q位電壓波形相對穩定，且波形震蕩時間較短，可以在幾百納秒時間內獲取穩定的動態導通電阻讀數。
結論
根據計算，Vbus等于400V時，動態導通電阻約為93mΩ；Vbus等于600V時，動態導通電阻約為95m歐姆；Vbus等于800V時，動態導通電阻約為101mΩ。相比在靜態條件下測試得到的導通電阻74mΩ，開關條件下隨Vbus電壓上升，器件的動態導通電阻退化非常有限，且阻值非常接近靜態導通電阻測試結果。
過去幾年里，行業對于GaN功率器件是否能夠突破小眾應用場景一直保持疑慮。1000V以上應用市場仍然屬于硅基IGBT和SiC功率器件。GaN大規模應用意味著它必須支持更寬泛的電壓電流范圍，更多的應用場景，以及更好的性價比。量芯微通過不懈努力，使平面結構GaN器件實現1200V高壓工作，其高壓GaN在開關和靜態特性上已經可以媲美相同規格的SiC器件。這將為GaN功率器件進一步拓展了新能源，電動汽車，電力電子等行業的應用場景，打開了新的可能性。
