遠山半導體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件

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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(cháng)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)域內競爭價(jià)格。近期，隨著(zhù)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(chǎng)應用中的潛力。

遠山半導體最近發(fā)布了新一代高壓氮化鎵功率器件，并在泰克先進(jìn)半導體實(shí)驗室進(jìn)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(chǎn)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(yè)內領(lǐng)先，主要應用于高功率PD快充、車(chē)載充電器、雙向DC-DC、微型逆變器、便攜儲能、V2G等領(lǐng)域。

測試概覽

泰克先進(jìn)半導體實(shí)驗室在今年9月收到了遠山半導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結（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，選擇在靜態(tài)參數測試系統SPT1000A上進(jìn)行測試。系統內置吉時(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(shí)，我們測得的靜態(tài)導通電阻僅為 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(xiàn)。

關(guān)斷狀態(tài)下反偏電壓與漏電流關(guān)系曲線(xiàn)

在過(guò)往對氮化鎵功率器件的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)測試大多在400V條件下進(jìn)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(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)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(jìn)行開(kāi)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(kāi)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(guò)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?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。在測試結果中可以看到，藍色的Vds波形在器件導通過(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)有導致導通電壓的上升。

在實(shí)際測試結果中，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)現了極高的開(kāi)關(guān)速度。

為了進(jìn)一步檢驗在高壓條件下的電流崩塌現象，我們通過(guò)使用鉗位探頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)導通電阻測試，觀(guān)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(gè)不同電壓下測試器件的動(dòng)態(tài)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(kāi)啟后的導通電阻波形。對比四組動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)導通電阻曲線(xiàn)

可以看到的是，隨著(zhù)測試電壓的升高，器件動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)導通電阻測試也得到了非常一致的結果。

隨著(zhù)高壓氮化鎵器件的普及，通過(guò)設計和工藝的改進(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)、可再生能源系統等熱門(mén)領(lǐng)域提供了新的可能性。