100 V GaN FET 在 48 V 汽車和服務器應用以及 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)，以及一些有助于應對這些挑戰(zhàn)的新技術。

近年來，寬帶隙（WBG）器件在許多與功率相關的應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用的關鍵領域能夠得到顯著改進。當將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（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?shù)乇碚鱃aN和SiC WBG功率器件?，F(xiàn)有的基于Si的標準不足以使設計人員能夠確定最適合其應用的WBG器件。例如 Rds（on），表征傳導損耗的主要參數(shù)是GaN中的一種動態(tài)現(xiàn)象，基于電荷被困在晶體管結構中（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的功率轉換設備的動態(tài)導通電阻測試方法指南”提供了標準。

100V 氮化鎵 FET 應用示例

最初的D類音頻放大器的一個應用是汽車音響系統(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功率較慢的Si MOSFET產生的較高的總諧波失真（THD）。GaN FET 具有明顯更快的開關速度（高達 10 倍）和無反向恢復電荷，可提供出色的線性響應并顯著降低 THD。除了汽車應用之外，最近您可能還注意到便攜式揚聲器的蓬勃發(fā)展。除了電池技術的進步之外，該應用還通過采用GaN FET設計的高效、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）的關鍵。GaN技術可實現(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換器設計的尺寸。由這些 GaN FET 制成的 DC-DC 轉換器 （12V – 48V） 使標準 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，并顯著降低開關損耗。更高頻率的開關可減少/消除開關節(jié)點振蕩，在基于硅的設計中通常需要緩沖電路。

許多不斷發(fā)展的應用都旨在利用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應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如此重要？主要用于設備的可重復和可靠的動態(tài)性能。寄生效應較高的因素會導致開關功率FET產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和封裝/器件寄生效應的標準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“克服高速功率半導體特性的挑戰(zhàn)”的文章。有關寄生效應波形中寄生效應的更多詳細信息，請參閱本文。

圖 2.DPT夾具設計過程中需要考慮的主要寄生效應。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。為了使高頻開關能量能夠被精確地表征，DPT夾具還必須具有低寄生效應，特別是在功率環(huán)路和柵極環(huán)路中。這些環(huán)路在設計時應考慮到低個位數(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，夾具寄生效應小于器件/封裝寄生效應，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，反復焊接和拆焊很容易損壞PCA?？芍貜徒佑|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）傳導損耗，2）開關損耗，以及較小程度上的3）驅動損耗。

1. 傳導損耗 （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。這些技術將提供最好的Rds（on）測量以與應力電壓和時間范圍進行比較，以表征GaN FET結構中的電流崩潰。

2. 開關損耗（即 td（上），TR， E（上），噸d（關閉），噸f， E（關閉）） – 這些參數(shù)在 IEC 60747-8 標準中指定，通常在功率 FET 數(shù)據(jù)表中指定。能夠重復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計和寄生效應的最小化。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是柵極驅動速度的主要控制因素之一，最終也是設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，允許快速切換轉換。但是，如果 DPT 夾具設計未優(yōu)化且具有不需要的寄生效應，則較大的 Rg需要減慢開關波形以最大限度地減少振鈴。

3. 驅動器丟失（即 Qg） – 驅動器損耗通常是損耗中最小的。可重復且可靠的柵極電荷測量和計算 （Qg），需要干凈的開關波形，特別是 V克和我g.最小的柵極環(huán)路寄生效應對于干凈的波形至關重要。

100V 甘型 FET 的可重復且可靠的動態(tài)特性

獲得小型GaN FET的可重復和可靠動態(tài)表征的關鍵在于關注DPT夾具設計的細節(jié)。圖1中描述的EPC 2045A被用作目標 DUT。

對是德科技定制化氮化鎵解決方案的設計修改

在Bodo電源系統(tǒng)2020年10月版的“GaN功率半導體器件動態(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（圖3和圖9）。然而，這種連接技術尚未在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）進行可重復連接。這些小型GaN FET的固定和配準至關重要。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是否能為這種具有挑戰(zhàn)性的器件提供可重復的結果（見圖 3）。

圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]

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圖 3.用于 EPC 2045A 的定制氮化鎵板。

經過對設備支架的幾次設計迭代，包括頂板上的彈簧張力和底板零件套準的對準孔，我們成功地用這種設計測試了多組零件。

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，在不同層內實現(xiàn)走線布線，以最大限度地減少環(huán)路面積。柵極驅動器和可更換 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?？傊@些對是德科技現(xiàn)有定制化鎵解決方案的修改為EPC 2045A等設備帶來了業(yè)界領先的結果。

傳導損耗（Rds（on））結果

測試系統(tǒng)設置以測量動態(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。是德科技有進一步改進這一關鍵參數(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]

開關損耗結果

用于測量動態(tài)開關損耗的測試系統(tǒng)設置以及一些標準開關時間參數(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。對導通和關斷波形進行了統(tǒng)計（見圖5 &6）。

圖 5. 開關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.開關損耗測量的示例波形 – 關閉。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 [PDF]

統(tǒng)計分析的結果如下表所示。很明顯，當EPC 2045A在兩次測試之間沒有被移除時，結果沒有太大的測量變化。開關時間的最大/最小變化范圍為~ 50 ps 至 ~ 135 ps。而開關損耗的最大/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，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/最小開關損耗變化小于1 μJ?？紤]到器件的尺寸、無焊連接以及最小化寄生效應的難度，這些都是出色的結果。毫不奇怪，定制GaN板的功率環(huán)路電感小于2 nH（見圖7）。

驅動器損失結果

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果g波形和提取的柵極電荷圖（見圖8）。

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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

對于許多傳統(tǒng)的基于硅的功率MOSFET應用而言，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計可以克服其中的許多挑戰(zhàn)，從而可以在您的功率轉換器設計中自信地使用這些新的WBG器件?！　?/p>