【泰克先进半导体实验室】 远山半导体发布新一代高压氮化镓功率器件

氮化镓功率器件因其高速开关能力、高功率密度和成本效益而成为市场的热门选择。然而，由于工作电压和长期可靠性的制约，这些器件的潜力并未得到充分发挥，主要在消费电子领域内竞争价格。近期，随着高压氮化镓器件的陆续推出，我们看到了它们在更广泛市场应用中的潜力。

远山半导体最近发布了新一代高压氮化镓功率器件，并在泰克先进半导体实验室进行了详尽的测试，这些测试结果为我们提供了对远山半导体氮化镓功率器件性能的全面了解。目前，远山现有产品包括700V、1200V、1700V、3300V等多种规格的蓝宝石基氮化镓功率器件，多项性能指标处于行业内领先，主要应用于高功率PD快充、车载充电器、双向DC-DC、微型逆变器、便携储能、V2G等领域。

测试概览

泰克先进半导体实验室在今年9月收到了远山半导体寄送的新一代常开型（Normally-ON）高压氮化镓器件。为了解决氮化镓功率器件固有的电流崩塌问题，他们采用特有的极化超级结（PSJ：Polarization Super Junction）技术，将器件的额定工作电压和工作电流提升到（1200V/20A）。

对于器件的直流参数，选择在静态参数测试系统SPT1000A上进行测试。系统内置吉时利2657A高压源表和2636B高精度源表，最高可以支持3000V，1000A下的I-V和C-V特性测试。

在栅极电压-8V，Id=1uA的条件下，这款氮化镓功率器件的击穿电压BVDSS达到1505V。器件的阈值电压约为-3.9V。在器件导通条件下，Vgs=3V，Id=20A时，我们测得的静态导通电阻仅为 62.3mΩ。下图为关断条件下，漏电流Idss与反偏电压（0~1500V）的扫描关系曲线。

关断状态下反偏电压与漏电流关系曲线

在过往对氮化镓功率器件的动态开关参数测试中，采用DFN8x8封装的功率器件多为650V电压等级，双脉冲开关测试大多在400V条件下进行。在高压测试中，氮化镓器件比较容易出现电流崩塌现象，表现为硬开关过程中，导通电阻突然增大，如下图所示：

传统氮化镓功率器件在高压条件下开关测试容易出现的电流崩塌现象

下图是远山半导体提供的DFN8*8封装GaN HEMT器件在高压600V以及20A条件下进行开关测试的波形，栅极电压为-6V~+3V，使用同型号氮化镓器件作为陪测。（测试条件：同型号D-Mode 常开型氮化镓器件，Ron = Roff = 1Ω，负载电感 75uH，Vds: 600V，Vgs: -6V~+3V, Id: 20A）

在测试过程中，使用了DPT1000A功率器件测试系统中的氮化镓测试电路，其中栅极探头使用1GHz带宽的TPP1000A，Vds测试使用800MHz带宽的高压单端探头TPP0850，电流探头使用T&M公司提供的2GHz电流传感器。栅极驱动芯片使用了TI公司的LM5114，可以最高提供7A的瞬态电流。在测试结果中可以看到，蓝色的Vds波形在器件导通过程中电压非常接近0V，表示功率器件在高压下的硬开关操作，并没有导致导通电压的上升。

在实际测试结果中，器件的开启延迟Tdon为15.06ns，上升时间Tr为11.1ns，关断延迟为13.02ns，下降时间Tf为13ns。在高压大电流的硬开关条件下实现了极高的开关速度。

为了进一步检验在高压条件下的电流崩塌现象，我们通过使用钳位探头进行动态导通电阻测试，观察器件在不同电压条件下的导通电阻值变化。我们分别在300V，400V，500V，600V四个不同电压下测试器件的动态导通电阻，即使用钳位后的Vds与电流Id波形相除，得到器件在开启后的导通电阻波形。对比四组动态导通电阻波形，并在相同区域内取值做平均值计算，得到如下的结果：

上图红色区域为在300V，400V，500V，600V条件下双脉冲测试得到的动态导通电阻曲线

测试电压 300V 400V 500V 600V

导通电阻平均值归一化（Normalized Ron） 1 1.02 1.04 1.064


可以看到的是，随着测试电压的升高，器件动态导通电阻仅有非常小的抬升，600V与300V下的测试结果相比，仅上升6.4%，非常好的克服了氮化镓器件在高压条件下的电流崩塌现象。

结论

基于测试结果，可以看到远山半导体这次提供的氮化镓功率器件在高电压大电流条件下的良好表现，打破了传统氮化镓器件额定电压650V的限制，在双脉冲测试中表现出了良好的稳定性，在不同电压下的动态导通电阻测试也得到了非常一致的结果。

随着高压氮化镓器件的普及，通过设计和工艺的改进以及成本的进一步下降，相信氮化镓器件会在电力电子应用市场取得更大的市场空间，为智能电网、电动汽车、可再生能源系统等热门领域提供了新的可能性。