100V GaN功率器件的特性挑戰(zhàn)

100 V GaN FET 在 48 V 汽車(chē)和服務(wù)器應(yīng)用以及 USB-C、激光雷達(dá)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(dòng)態(tài)表征這些功率器件帶來(lái)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(duì)這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)。

近年來(lái)，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(jìn)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(jìn)。當(dāng)將GaN與Si進(jìn)行比較時(shí)，眾所周知，GaN的更高帶隙，更高的電子遷移率和更大的電場(chǎng)電位可實(shí)現(xiàn)重要屬性，例如更低的損耗（即更高的效率），更快的開(kāi)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(chē)等“高正常運(yùn)行時(shí)間”應(yīng)用。

JEDEC?于2017年成立了JC-70委員會(huì)，以開(kāi)發(fā)所需的新可靠性，表征，測(cè)試方法和數(shù)據(jù)表增強(qiáng)功能，以適當(dāng)?shù)乇碚鱃aN和SiC WBG功率器件?，F(xiàn)有的基于Si的標(biāo)準(zhǔn)不足以使設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)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(lèi)音頻放大器的一個(gè)應(yīng)用是汽車(chē)音響系統(tǒng)。與A類(lèi)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(chē)能夠擁有多個(gè)揚(yáng)聲器和更多聲音（>100W）。然而，功耗較低的代價(jià)是開(kāi)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(kāi)關(guān)速度（高達(dá) 10 倍）和無(wú)反向恢復(fù)電荷，可提供出色的線(xiàn)性響應(yīng)并顯著降低 THD。除了汽車(chē)應(yīng)用之外，最近您可能還注意到便攜式揚(yáng)聲器的蓬勃發(fā)展。除了電池技術(shù)的進(jìn)步之外，該應(yīng)用還通過(guò)采用GaN FET設(shè)計(jì)的高效、緊湊的D類(lèi)音頻放大器來(lái)實(shí)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行是可能的。還有許多其他便攜式消費(fèi)類(lèi)設(shè)備可以利用與便攜式揚(yáng)聲器相同的屬性。

隨著自動(dòng)駕駛（包括雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器和激光雷達(dá)）的更多電力需求發(fā)展，汽車(chē)系統(tǒng)正朝著更高的電壓運(yùn)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(xiàn)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(chē)電池）的關(guān)鍵。GaN技術(shù)可實(shí)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(kāi)關(guān)和更高的效率也減小了必要的無(wú)源元件尺寸（例如電感器），進(jìn)一步減小了功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(xiàn)能夠?yàn)檫@些新興的汽車(chē)系統(tǒng)要求供電。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如步進(jìn)電機(jī)，無(wú)人機(jī)等）是100V和更少GaN器件的另一個(gè)大型應(yīng)用。低損耗通常不需要散熱器。GaN可實(shí)現(xiàn)更高頻率的PWM信號(hào)，并顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。更高頻率的開(kāi)關(guān)可減少/消除開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振蕩，在基于硅的設(shè)計(jì)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(gè)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(lái)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(méi)有增加額外的寄生物，使其成為利用高速開(kāi)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(dòng)態(tài)性能。寄生效應(yīng)較高的因素會(huì)導(dǎo)致開(kāi)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(cè)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(xì)信息，請(qǐng)參閱本文。

圖 2.DPT夾具設(shè)計(jì)過(guò)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(kāi)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(jì)時(shí)應(yīng)考慮到低個(gè)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(duì)于這些小型GaN FETS來(lái)說(shuō)是極難實(shí)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(cè)試 GaN FET 的統(tǒng)計(jì)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(gè)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?？芍貜?fù)接觸焊球所需的機(jī)械公差要求在 X 和 Y 尺寸上都具有亞 mm 的貼裝精度（參見(jiàn)圖 1：尺寸 c、d 和 e）。

如上所述，另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是重復(fù)表征GaN FET的效率。有三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)是影響效率的主要因素：1）傳導(dǎo)損耗，2）開(kāi)關(guān)損耗，以及較小程度上的3）驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)量。JEP-173 提供了測(cè)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(gè)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(gè)快速箝位電路來(lái)快速建立，從而能夠測(cè)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(cè)量以與應(yīng)力電壓和時(shí)間范圍進(jìn)行比較，以表征GaN FET結(jié)構(gòu)中的電流崩潰。

2. 開(kāi)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(cè)量和提取這些參數(shù)在很大程度上取決于夾具設(shè)計(jì)和寄生效應(yīng)的最小化。測(cè)試條件通常包括 V斷續(xù)器我d，V克，有時(shí)是 L負(fù)荷，但幾乎總是柵極電阻Rg.Rg是柵極驅(qū)動(dòng)速度的主要控制因素之一，最終也是設(shè)備打開(kāi)強(qiáng)度的主要控制因素之一。最理想的是，Rg是一個(gè)小值，允許快速切換轉(zhuǎn)換。但是，如果 DPT 夾具設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)波形以最大限度地減少振鈴。

3. 驅(qū)動(dòng)器丟失（即 Qg） – 驅(qū)動(dòng)器損耗通常是損耗中最小的?？芍貜?fù)且可靠的柵極電荷測(cè)量和計(jì)算 （Qg），需要干凈的開(kāi)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(duì)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(dòng)態(tài)特性

獲得小型GaN FET的可重復(fù)和可靠動(dòng)態(tài)表征的關(guān)鍵在于關(guān)注DPT夾具設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。圖1中描述的EPC 2045A被用作目標(biāo) DUT。

對(duì)是德科技定制化氮化鎵解決方案的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)表征”一文中，介紹了是德科技用于PD1500A動(dòng)態(tài)功率分析儀/雙脈沖測(cè)試儀的無(wú)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(jìn)行測(cè)試，需要與柵極（單個(gè)44.5 μm2圓形焊球靶）進(jìn)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(kāi)發(fā)了一個(gè)定制電路板，以確定是德科技的無(wú)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(jiàn)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(guò)對(duì)設(shè)備支架的幾次設(shè)計(jì)迭代，包括頂板上的彈簧張力和底板零件套準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)孔，我們成功地用這種設(shè)計(jì)測(cè)試了多組零件。

為了進(jìn)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(shí)現(xiàn)走線(xiàn)布線(xiàn)，以最大限度地減少環(huán)路面積。柵極驅(qū)動(dòng)器和可更換 Rg子板被放置在PCB的背面，進(jìn)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(duì)是德科技正在申請(qǐng)專(zhuān)利的電流傳感器技術(shù)的簡(jiǎn)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(shí)進(jìn)一步減小傳感器的插入電感?？傊@些對(duì)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(lái)了業(yè)界領(lǐng)先的結(jié)果。

傳導(dǎo)損耗（Rds（on））結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置以測(cè)量動(dòng)態(tài)Rds（on）如下表所示。為了測(cè)量系統(tǒng)的可重復(fù)性，使用相同的EPC 2045A GaN FET進(jìn)行了10次測(cè)試，并在每次測(cè)試之間重新拔插器件。下面的另一個(gè)表顯示了結(jié)果。小于10 mΩ的最大/最小測(cè)量變化非常適合無(wú)焊接DUT連接技術(shù)。是德科技有進(jìn)一步改進(jìn)這一關(guān)鍵參數(shù)的想法。

圖 4.R 的示例波形ds（on）測(cè)量。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]

開(kāi)關(guān)損耗結(jié)果

用于測(cè)量動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)損耗的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置以及一些標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)時(shí)間參數(shù)如下表所示。為了徹底了解變異的來(lái)源，進(jìn)行了兩組10次測(cè)量。第一組將DPT循環(huán)10次，沒(méi)有重新拔插部件。這樣就可以了解儀器測(cè)量和提取算法的可變性。在第二組測(cè)試中，GaN FET在每次測(cè)試之間重新拔插，就像Rds（on）測(cè)量一樣。對(duì)導(dǎo)通和關(guān)斷波形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖5 &6）。

圖 5. 開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量的示例波形 – 打開(kāi)。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]

圖 6.開(kāi)關(guān)損耗測(cè)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(jì)分析的結(jié)果如下表所示。很明顯，當(dāng)EPC 2045A在兩次測(cè)試之間沒(méi)有被移除時(shí)，結(jié)果沒(méi)有太大的測(cè)量變化。開(kāi)關(guān)時(shí)間的最大/最小變化范圍為~ 50 ps 至 ~ 135 ps。而開(kāi)關(guān)損耗的最大/最小變化僅為58 nJ和79 nJ。

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(shí)，敏感時(shí)間測(cè)量中的最大/最小變化也僅為~500 ps至~2.5 ns，最大/最小開(kāi)關(guān)損耗變化小于1 μJ。考慮到器件的尺寸、無(wú)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(jiàn)圖7）。

驅(qū)動(dòng)器損失結(jié)果

影響功率器件損耗的最后一個(gè)參數(shù)是 Qg.測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置，用于測(cè)量和提取Qg如上表所示，以及反映典型 Q 單次測(cè)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(jiàn)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(cè)波形。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]

總結(jié)

對(duì)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(dòng)態(tài)性能，存在許多挑戰(zhàn)。定制GaN夾具和測(cè)試板的仔細(xì)和周到的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)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(jì)中自信地使用這些新的WBG器件?！　?/p>