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【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件

發(fā)布時(shí)間:2024-10-20 來(lái)源:泰克科技 責(zé)任編輯:lina

【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。


【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件

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:


【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件

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)


【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件


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。


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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:


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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


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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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