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100 V GaN FET 在 48 V 汽車和服務(wù)器應(yīng)用以及 USB-C、激光雷達和 LED 照明中很受歡迎。然而，小尺寸和最小的封裝寄生效應(yīng)為動態(tài)表征這些功率器件帶來了多重挑戰(zhàn)。本文回顧了GaN半導(dǎo)體制造商在表征這些器件方面面臨的挑戰(zhàn)，以及一些有助于應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)。
近年來，寬帶隙（WBG）器件在許多與功率相關(guān)的應(yīng)用中在取代硅基功率MOSFET和IGBT方面取得了顯著進展。它們的基本特性使電源應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域能夠得到顯著改進。當(dāng)將GaN與Si進行比較時，眾所周知，GaN的更高帶隙，更高的電子遷移率和更大的電場電位可實現(xiàn)重要屬性，例如更低的損耗（即更高的效率），更快的開關(guān)（例如，> MHz）和顯著減小的尺寸（即更高的功率密度）。然而，與Si相比，WBG器件在各種電源應(yīng)用中的使用歷史要短得多，尤其是汽車等“高正常運行時間”應(yīng)用。
JEDEC?于2017年成立了JC-70委員會，以開發(fā)所需的新可靠性，表征，測試方法和數(shù)據(jù)表增強功能，以適當(dāng)?shù)乇碚鱃aN和SiC WBG功率器件。現(xiàn)有的基于Si的標(biāo)準(zhǔn)不足以使設(shè)計人員能夠確定最適合其應(yīng)用的WBG器件。例如 Rds（on），表征傳導(dǎo)損耗的主要參數(shù)是GaN中的一種動態(tài)現(xiàn)象，基于電荷被困在晶體管結(jié)構(gòu)中（電流崩潰）。JEP-173是JC-70的首個出版物（于2019年1月發(fā)布），為“基于GaN HEMT的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的動態(tài)導(dǎo)通電阻測試方法指南”提供了標(biāo)準(zhǔn)。
100V 氮化鎵 FET 應(yīng)用示例
最初的D類音頻放大器的一個應(yīng)用是汽車音響系統(tǒng)。與A類放大器相比，該放大器具有更低的功耗和更高的效率（>90%），使“有限功率”的汽車能夠擁有多個揚聲器和更多聲音（>100W）。然而，功耗較低的代價是開關(guān)功率較慢的Si MOSFET產(chǎn)生的較高的總諧波失真（THD）。GaN FET 具有明顯更快的開關(guān)速度（高達 10 倍）和無反向恢復(fù)電荷，可提供出色的線性響應(yīng)并顯著降低 THD。除了汽車應(yīng)用之外，最近您可能還注意到便攜式揚聲器的蓬勃發(fā)展。除了電池技術(shù)的進步之外，該應(yīng)用還通過采用GaN FET設(shè)計的高效、緊湊的D類音頻放大器來實現(xiàn)。由于GaN的失真屬性較低，因此提供了良好的音頻質(zhì)量，而GaN的高效率使得能夠在電池上長時間運行是可能的。還有許多其他便攜式消費類設(shè)備可以利用與便攜式揚聲器相同的屬性。
隨著自動駕駛（包括雷達、攝像頭、超聲波傳感器和激光雷達）的更多電力需求發(fā)展，汽車系統(tǒng)正朝著更高的電壓運行（例如48V）發(fā)展。這些功能需要不間斷、高度可靠的電源。隨著48V總線成為新的更高電壓電源系統(tǒng)之一，效率再次成為有限電源（即汽車電池）的關(guān)鍵。GaN技術(shù)可實現(xiàn)比Si更好的功率密度，從而最大限度地減少額外的重量、尺寸和熱管理。GaN的更高頻率開關(guān)和更高的效率也減小了必要的無源元件尺寸（例如電感器），進一步減小了功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計的尺寸。由這些 GaN FET 制成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 （12V – 48V） 使標(biāo)準(zhǔn) 12V 電源總線能夠為這些新興的汽車系統(tǒng)要求供電。
電機驅(qū)動器（例如步進電機，無人機等）是100V和更少GaN器件的另一個大型應(yīng)用。低損耗通常不需要散熱器。GaN可實現(xiàn)更高頻率的PWM信號，并顯著降低開關(guān)損耗。更高頻率的開關(guān)可減少/消除開關(guān)節(jié)點振蕩，在基于硅的設(shè)計中通常需要緩沖電路。
許多不斷發(fā)展的應(yīng)用都旨在利用GaN與硅相比的卓越性能。但是，表征這些器件的挑戰(zhàn)遵循上述主題：小尺寸（功率密度）和更高的效率。
100V GaN功率器件的特性挑戰(zhàn)
第一個主要挑戰(zhàn)是封裝尺寸。許多 100V（及更低）GaN FET 封裝都是球柵陣列 （BGA），范圍從 X 和 Y 尺寸的幾毫米到 X 和 Y 尺寸的亞毫米不等。這些封裝具有 2x2 焊球矩陣和 5 x 15 焊球矩陣。圖 1 顯示了具有指定 R 的 EPC2045、100 V、16 A GaN eHEMT 器件的示例斷續(xù)器（on）為 7 毫歐。
圖 1. EPC 2045A 尺寸（來源：EPC2045A 數(shù)據(jù)表，2021 年）。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
BGA（如EPC 2045A）在GaN器件的芯片上幾乎沒有增加額外的寄生物，使其成為利用高速開關(guān)應(yīng)用卓越性能的理想選擇。為什么最大限度地減少封裝寄生效應(yīng)如此重要？主要用于設(shè)備的可重復(fù)和可靠的動態(tài)性能。寄生效應(yīng)較高的因素會導(dǎo)致開關(guān)功率FET產(chǎn)生更多的振鈴和潛在的不穩(wěn)定性。圖2顯示了帶有夾具寄生效應(yīng)和封裝/器件寄生效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)DPT測試配置/模型。（注：這張照片摘自是德科技在 2020 年 4 月版 Bodo 的《電源系統(tǒng)》中題為“克服高速功率半導(dǎo)體特性的挑戰(zhàn)”的文章。有關(guān)寄生效應(yīng)波形中寄生效應(yīng)的更多詳細信息，請參閱本文。
圖 2.DPT夾具設(shè)計過程中需要考慮的主要寄生效應(yīng)。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
由于GaN HEMT和BGA封裝的寄生效應(yīng)非常低（例如，通常<1 nH，因此該GaN FET可以在非常高的頻率（例如1MHz）下切換。為了使高頻開關(guān)能量能夠被精確地表征，DPT夾具還必須具有低寄生效應(yīng)，特別是在功率環(huán)路和柵極環(huán)路中。這些環(huán)路在設(shè)計時應(yīng)考慮到低個位數(shù)nH電感（例如3 nH或更低），以最大限度地減少DPT夾具的影響。理想情況下，夾具寄生效應(yīng)小于器件/封裝寄生效應(yīng)，這對于這些小型GaN FETS來說是極難實現(xiàn)的。
此外，創(chuàng)建一種可重復(fù)且可靠的 DUT 連接方法，以便能夠測試 GaN FET 的統(tǒng)計有效樣本量（例如 >10），這非常具有挑戰(zhàn)性。理想的情況是將每個器件焊接在夾具的PCA上。但是，反復(fù)焊接和拆焊很容易損壞PCA。可重復(fù)接觸焊球所需的機械公差要求在 X 和 Y 尺寸上都具有亞 mm 的貼裝精度（參見圖 1：尺寸 c、d 和 e）。
如上所述，另一個主要挑戰(zhàn)是重復(fù)表征GaN FET的效率。有三個動態(tài)參數(shù)是影響效率的主要因素：1）傳導(dǎo)損耗，2）開關(guān)損耗，以及較小程度上的3）驅(qū)動損耗。
1. 傳導(dǎo)損耗 （Rds（on）） – 如上所述，Rds（on）是用于氮化鎵 HEMT 器件的動態(tài)測量。JEP-173 提供了測量和提取此參數(shù)的指南。要重復(fù)可靠地確定此參數(shù)，需要的是一個非常低的寄生 DPT 夾具，提供干凈的 V斷續(xù)器和我d切換波形。此外，需要一個快速箝位電路來快速建立，從而能夠測量鉗位V斷續(xù)器和我d切換事件發(fā)生后 50-500ns。這些技術(shù)將提供最好的Rds（on）測量以與應(yīng)力電壓和時間范圍進行比較，以表征GaN FET結(jié)構(gòu)中的電流崩潰。
2. 開關(guān)損耗（即 td（上），TR， E（上），噸d（關(guān)閉），噸f， E（關(guān)閉）） – 這些參數(shù)在 IEC 60747-8 標(biāo)準(zhǔn)中指定，通常在功率 FET 數(shù)據(jù)表中指定。能夠重復(fù)可靠地測量和提取這些參數(shù)在很大程度上取決于夾具設(shè)計和寄生效應(yīng)的最小化。測試條件通常包括 V斷續(xù)器我d，V克，有時是 L負荷，但幾乎總是柵極電阻Rg.Rg是柵極驅(qū)動速度的主要控制因素之一，最終也是設(shè)備打開強度的主要控制因素之一。最理想的是，Rg是一個小值，允許快速切換轉(zhuǎn)換。但是，如果 DPT 夾具設(shè)計未優(yōu)化且具有不需要的寄生效應(yīng)，則較大的 Rg需要減慢開關(guān)波形以最大限度地減少振鈴。
3. 驅(qū)動器丟失（即 Qg） – 驅(qū)動器損耗通常是損耗中最小的。可重復(fù)且可靠的柵極電荷測量和計算 （Qg），需要干凈的開關(guān)波形，特別是 V克和我g.最小的柵極環(huán)路寄生效應(yīng)對于干凈的波形至關(guān)重要。
100V 甘型 FET 的可重復(fù)且可靠的動態(tài)特性
獲得小型GaN FET的可重復(fù)和可靠動態(tài)表征的關(guān)鍵在于關(guān)注DPT夾具設(shè)計的細節(jié)。圖1中描述的EPC 2045A被用作目標(biāo) DUT。
對是德科技定制化氮化鎵解決方案的設(shè)計修改
在Bodo電源系統(tǒng)2020年10月版的“GaN功率半導(dǎo)體器件動態(tài)表征”一文中，介紹了是德科技用于PD1500A動態(tài)功率分析儀/雙脈沖測試儀的無焊DUT連接技術(shù)（圖3和圖9）。然而，這種連接技術(shù)尚未在EPC 2045A（1.5 mm x 2.5 mm）那么小的器件上進行測試，需要與柵極（單個44.5 μm2圓形焊球靶）進行可重復(fù)連接。這些小型GaN FET的固定和配準(zhǔn)至關(guān)重要。為該器件開發(fā)了一個定制電路板，以確定是德科技的無焊接觸技術(shù)是否能為這種具有挑戰(zhàn)性的器件提供可重復(fù)的結(jié)果（見圖 3）。
圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
圖 3.用于 EPC 2045A 的定制氮化鎵板。
經(jīng)過對設(shè)備支架的幾次設(shè)計迭代，包括頂板上的彈簧張力和底板零件套準(zhǔn)的對準(zhǔn)孔，我們成功地用這種設(shè)計測試了多組零件。
為了進一步最小化柵極環(huán)路和電源環(huán)路的環(huán)路面積，利用多層PCB，在不同層內(nèi)實現(xiàn)走線布線，以最大限度地減少環(huán)路面積。柵極驅(qū)動器和可更換 Rg子板被放置在PCB的背面，進一步減少了環(huán)路面積。
最后，2020 年 10 月的文章中還提到了對是德科技正在申請專利的電流傳感器技術(shù)的簡化，使分流器能夠放置在更靠近 DUT 的位置，從而減少電源環(huán)路面積，同時進一步減小傳感器的插入電感。總之，這些對是德科技現(xiàn)有定制化鎵解決方案的修改為EPC 2045A等設(shè)備帶來了業(yè)界領(lǐng)先的結(jié)果。
傳導(dǎo)損耗（Rds（on））結(jié)果
測試系統(tǒng)設(shè)置以測量動態(tài)Rds（on）如下表所示。為了測量系統(tǒng)的可重復(fù)性，使用相同的EPC 2045A GaN FET進行了10次測試，并在每次測試之間重新拔插器件。下面的另一個表顯示了結(jié)果。小于10 mΩ的最大/最小測量變化非常適合無焊接DUT連接技術(shù)。是德科技有進一步改進這一關(guān)鍵參數(shù)的想法。
圖 4.R 的示例波形ds（on）測量。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
開關(guān)損耗結(jié)果
用于測量動態(tài)開關(guān)損耗的測試系統(tǒng)設(shè)置以及一些標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)時間參數(shù)如下表所示。為了徹底了解變異的來源，進行了兩組10次測量。第一組將DPT循環(huán)10次，沒有重新拔插部件。這樣就可以了解儀器測量和提取算法的可變性。在第二組測試中，GaN FET在每次測試之間重新拔插，就像Rds（on）測量一樣。對導(dǎo)通和關(guān)斷波形進行了統(tǒng)計（見圖5 &6）。
| 雙脈沖測試設(shè)置 | ? |
| V斷續(xù)器 | 60 伏 |
| 我d | 15 安培 |
| V克 | 5V / -1V |
| Rg | 4.7 Ω |
| L負荷 | 207 微高 |
| 提取標(biāo)準(zhǔn) | 符合 IEC 60747-8 標(biāo)準(zhǔn) |
| 溫度 | ~ 25°攝氏度 |
圖 5. 開關(guān)損耗測量的示例波形 – 打開。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
圖 6.開關(guān)損耗測量的示例波形 – 關(guān)閉。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
統(tǒng)計分析的結(jié)果如下表所示。很明顯，當(dāng)EPC 2045A在兩次測試之間沒有被移除時，結(jié)果沒有太大的測量變化。開關(guān)時間的最大/最小變化范圍為~ 50 ps 至 ~ 135 ps。而開關(guān)損耗的最大/最小變化僅為58 nJ和79 nJ。
| 不帶部件拆卸 | td（關(guān)閉）（秒） | tf（秒） | E（關(guān)閉）（日） |
| 平均 | 9.85114E-09 | 4.57048E-09 | 1.0009E-06 |
| 最大值 - 最小值 | 1.3592E-10 | 6.715E-11 | 0.000000079 |
| 標(biāo)準(zhǔn)/平均 | 0.40% | 0.40% | 2.37% |
| 不帶部件拆卸 | td（關(guān)閉）（秒） | tf（秒） | E（關(guān)閉）（日） |
| 平均 | 5.49961E-09 | 2.72765E-09 | 2.7803E-06 |
| 最大值 - 最小值 | 1.3465E-10 | 4.875E-11 | 5.8E-08 |
| 標(biāo)準(zhǔn)/平均 | 0.75% | 0.54% | 0.68% |
| 移除零件 | td（關(guān)閉）（秒） | tf（秒） | E（關(guān)閉）（日） |
| 平均 | 9.969E-09 | 4.34448E-09 | 1.0223E-06 |
| 最大值 - 最小值 | 2.44141E-09 | 1.39377E-09 | 0.000000127 |
| 標(biāo)準(zhǔn)/平均 | 6.52% | 11.05% | 3.19% |
| 移除零件 | td（關(guān)閉）（秒） | tf（秒） | E（關(guān)閉）（日） |
| 平均 | 5.97761E-09 | 2.85528E-09 | 2.9956E-06 |
| 最大值 - 最小值 | 1.74626E-09 | 5.03222E-10 | 7.18E-07 |
| 標(biāo)準(zhǔn)/平均 | 8.07% | 5.15% | 6.98% |
圖 7.電源環(huán)路電感，L.PL= V下垂/地d/dt = 9V / 5.363 GA/s = 1.68 nH。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
即使在移除器件時，敏感時間測量中的最大/最小變化也僅為~500 ps至~2.5 ns，最大/最小開關(guān)損耗變化小于1 μJ。考慮到器件的尺寸、無焊連接以及最小化寄生效應(yīng)的難度，這些都是出色的結(jié)果。毫不奇怪，定制GaN板的功率環(huán)路電感小于2 nH（見圖7）。
| 雙脈沖測試設(shè)置 | ? |
| 斷續(xù)器 | 60 伏 |
| 編號 | 15 安培 |
| 斷續(xù)器 | 5V / -1V |
| 斷續(xù)器 | 100 Ω |
| 負載 | 207 微高 |
| 萃取標(biāo)準(zhǔn) | 耶穌經(jīng)社 24-2 |
| 溫度 | ~ 25°攝氏度 |
| 秦（三） | 5.99E-09 |
| 四分之一（C） | 1.19E-09 |
| Vg（pl） （V） | 2.19 |
| 24-2日本腦電圖 （C） | 1.86E-09 |
| 二甲基苯二加磷酸乙二胺四乙酸乙酯（三級） | 4.60E-10 |
驅(qū)動器損失結(jié)果
影響功率器件損耗的最后一個參數(shù)是 Qg.測試系統(tǒng)設(shè)置，用于測量和提取Qg如上表所示，以及反映典型 Q 單次測量結(jié)果的表格g參數(shù)。在大部分接近理想原始Q的情況下獲得了出色的結(jié)果g波形和提取的柵極電荷圖（見圖8）。
圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
圖 8.提取 Qg圖形 （V克與 Qg） 和原始 Qg數(shù)字相位檢測波形。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]
總結(jié)
對于許多傳統(tǒng)的基于硅的功率MOSFET應(yīng)用而言，低壓GaN FET（即100 V）正在減小尺寸，最大限度地降低冷卻要求，并提高效率。如前所述，要重復(fù)可靠地表征這些器件的動態(tài)性能，存在許多挑戰(zhàn)。定制GaN夾具和測試板的仔細和周到的機械和電氣設(shè)計可以克服其中的許多挑戰(zhàn)，從而可以在您的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中自信地使用這些新的WBG器件。
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