新型功率器件

隨著技術的不斷進步，新型功率器件如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）因其優(yōu)異的性能被廣泛應用于各種電子設備中。然而，這些器件在長期連續(xù)使用后會出現老化現象，導致性能退化。如何在短時間內準確評估這些器件的老化特性，成為行業(yè)關注的焦點。

目前，針對功率器件的老化測試主要包括多種不同的測試方式。其中，JEDEC制定的老化測試標準（如HTGB、HTRB、H3TRB和功率循環(huán)測試）主要針對傳統(tǒng)的硅基功率器件。對于新型的SiC等功率器件，AQG-324標準進一步要求增加動態(tài)老化測試，如動態(tài)柵偏和動態(tài)反偏測試。

這些傳統(tǒng)測試方法大多采用單一應力條件對功率器件進行加速老化，并通過測試某一特定指標來了解器件的老化情況。然而，由于應力條件的單一性，這些方法在老化測試過程中難以全面評估器件的性能。特別是在面對新型功率器件時，傳統(tǒng)的單一應力測試方法可能無法發(fā)現潛在的缺陷問題，從而無法準確預測器件在實際使用中的長期可靠性。

新型老化測試方法：

高溫工況老化測試（HTOL）

為了更全面地評估功率器件的老化特性，高溫工況老化測試（HTOL）逐漸受到功率器件測試工程師的關注。HTOL通過將功率器件放置在實際的電源電路中，模擬其在工況狀態(tài)下的工作條件。通過連續(xù)的硬開關或軟開關電路施加應力進行老化測試，HTOL能夠提供更加接近真實使用場景的老化效果，從而更準確地反映器件在綜合應力條件下的表現。

以硬開關老化為例，參考JEP182標準給出的幾種HTOL測試拓撲結構，被測器件可以在電路中分別處于硬開關、軟開關和阻性負載開關組成的不同拓撲電路結構中。這種測試方法能夠更全面地模擬器件在實際應用中的工作狀態(tài)，從而更有效地評估其長期可靠性。

以上圖（a）為例，電路結構類似雙脈沖形式，在上管回路中加入功率電阻，用來在續(xù)流階段消耗電感能量，以保證在連續(xù)開關過程中的電流平衡。由于電感L的能量在電阻R上耗散掉，因此電阻R會大量發(fā)熱，導致在大功率測試條件下需要使用大尺寸的散熱片，導致電路體積增大，并嚴重限制電路運行的總功率，無法讓芯片工作在高壓和大電流的條件下。

為了提高老化效率，增強老化過程中的應力條件，讓功率器件工作在更接近真實場景的條件下，我們可以進一步改進測試電路。為了降低散熱，提高電路工作效率，我們將老化電路中的電阻負載去除，通過使用電感負載，讓功率器件工作在硬開關條件下，同時避免能量轉變?yōu)闊崃亢纳ⅰ?/p>

我們可通過控制四個功率器件開關的先后順序，使Q1/Q4工作在連續(xù)硬開關條件下，Q2/Q3工作在續(xù)流狀態(tài)，從而實現無電阻負載的連續(xù)硬開關電路。我們以量芯微650V GaN HEMT器件為例，進行HTOL測試，開關頻率控制在100KHz。在連續(xù)因開關過程中，使用示波器（泰克公司）、高壓電源（EA 1500V高壓直流電源）、鉗位測試探頭（湖南欄海電氣，小于100ns穩(wěn)定時間），測量功率器件在到通過程中的導通電阻變化趨勢，了解功率器件的老化過程。

實際測試案例與結果分析

以量芯微650V GaN HEMT器件為例，進行HTOL測試。測試中，使用泰克公司的示波器、EA 1500V高壓直流電源和湖南欄海電氣的鉗位探頭，測量功率器件在開關過程中的導通電阻變化趨勢。

通過控制功率器件開關的先后順序，實現無電阻負載的連續(xù)硬開關電路。測試結果顯示，在61小時的測試過程中，GaN器件與CREE公司的SiC MOSFET的動態(tài)導通電阻基本保持穩(wěn)定，未出現明顯抬升。進一步提高測試電壓至520V后，經過245小時的測試，動態(tài)導通電阻出現緩慢上升，但整體仍保持在合理范圍內。通過線性擬合，可預測器件在特定條件下的連續(xù)工作壽命。

下圖為使用泰克MSO58B系列示波器測試動態(tài)導通電阻波形，我們通過導通電壓與導通電流相除，得到特定位置的動態(tài)導通電阻阻值。經過長時間測試后，可以看到動態(tài)導通電阻的相對漂移情況。

在測試過程中，功率器件連續(xù)硬開關會產生開關功率損耗導致自身發(fā)熱，為了避免發(fā)熱導致的結溫變化影響功率器件特性改變，我們通過外加紅外溫度測試的方式，監(jiān)控器件殼溫，并通過風扇散熱建立控溫閉環(huán)回路，確保長時間工作時功率器件的結溫穩(wěn)定。

第一次測試中，我們選擇量芯微 TO-247-4 封裝的 GaN 功率器件與CREE公司的 C3M0040120D（1200V/66A）SiC MOSFET進行對比測試，測試條件一致，均為器件殼溫80℃，開關頻率100KHz，工作電流15A，工作電壓400V。在61小時的測試過程中，我們比對兩種不同類型器件的動態(tài)導通電阻變化曲線，如下圖所示（縱軸為導通電阻，單位是毫歐）：其中藍色曲線為 CREE SiC 器件動態(tài)導通電阻測試結果，約為110毫歐。紅色曲線為GaN器件動態(tài)導通電阻測試結果約為54毫歐，曲線最前面的脈沖尖峰是測試過程中調整測試參數導致的。在同樣時間段內，兩顆器件的動態(tài)導通電阻基本保持穩(wěn)定，測試過程中均未出現明顯的抬升。

在上述老化過程中，直流電源輸出電壓400V，直流電流小于100mA，測試過程中單顆器件的系統(tǒng)直流功耗不到40W，相比傳統(tǒng)HTOL老化電流，大幅度節(jié)省了電源功耗，降低測試成本。

為了進一步提高老化速度，看到更加明顯的老化效果，第二次測試中我們選擇工作電壓作為老化加速因子，將測試電壓從400V 提高至520V，其他測試條件不變，再次進行測試。HTOL 總運行時間增加為 245 小時，共記錄29100個動態(tài)導通電阻測試結果，每個測試結果的時間間隔為30s。

上圖中顯示了在大約10天的連續(xù)測試中，其中縱軸數據為動態(tài)導通電阻測試結果，橫軸為測試樣點序號，被測功率器件的動態(tài)導通電阻變化曲線如圖中所示。由于測試環(huán)境中晝夜溫度的變化對測試電路的影響，導致測試結果中出現周期性的起伏波動，但長期趨勢可以看出動態(tài)導通電阻在緩慢上升。與下圖同期北京天氣數據對比，可以看到起伏規(guī)律基本相同，可以確認環(huán)境溫度對測試結果會產生一定影響。

通過對測試結果的數據進行線性擬合，可以得到動態(tài)導通電阻上升的斜率約為6.93*E-5。假設功率器件動態(tài)導通電阻上升30%時，器件壽命達到極限。那么按照520V，15A，器件殼溫80℃，50%占空比的測試條件下，器件連續(xù)工作壽命可以達到1724小時。考慮到該器件的實際工作電壓為400V，在正常工況下的連續(xù)工作時間會遠長于這個數值。

通過實際測試數據，可以看出量芯微提供的650V高壓GaN器件在老化特性上與SiC器件基本達到了同樣的品質水平，當工作電壓提升至520V時，可以看到導通電阻雖然出現緩慢提升，但仍可以保持較長的工作壽命。通過類似HTOL老化測試方法，可以幫助我們在較短的時間內了解新型功率器件的老化過程和性能退化情況，幫助研發(fā)和設計工程師快速改進設計，提升產品性能。

泰克創(chuàng)新實驗室：

助力功率器件測試與評估

泰克創(chuàng)新實驗室V2.0經過全面升級，設備更新且測試能力大幅提升，能夠滿足第三代半導體功率器件的多樣化測試需求。此次升級涵蓋了GaN器件開關測試、動態(tài)導通電阻測試、SiC功率器件的短路測試和雪崩測試，以及更全面的靜態(tài)參數和電容參數測試系統(tǒng)。此外，實驗室還引入了全新的可靠性測試系統(tǒng)，專注于第三代半導體功率器件的性能評估。

實驗室特別引入了高溫度操作壽命（HTOL）測試方法，能夠模擬器件在實際工作環(huán)境下的老化過程，通過高溫加速器件退化，快速獲取老化特性數據。這些數據不僅具有較高的說服力，還能為產品的保修期限和維護計劃提供重要指導。HTOL測試還能預測器件在特定工作條件下的預期壽命，幫助設計者在產品開發(fā)和優(yōu)化過程中做出精準決策。