作為一種新型開關(guān)器件，GaN功率器件擁有開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前不同GaN工藝平臺下器件行為表現(xiàn)差異較大，且GaN器件的靜態(tài)特性和動態(tài)特性存在較大不同，傳統(tǒng)的靜態(tài)測試表征不足以反映器件在實(shí)際工作中的動態(tài)行為，如何全面評估GaN器件的動態(tài)表現(xiàn)對于系統(tǒng)應(yīng)用意義重大。云鎵半導(dǎo)體具有多年的GaN器件產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，對于GaN器件的測試表征有著多年的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)儲備，并打造了行業(yè)領(lǐng)先的GaN動態(tài)測試表征平臺。

雙脈沖測試基本介紹

01

雙脈沖測試基本介紹

和傳統(tǒng)開關(guān)器件一樣，GaN功率器件也可以使用雙脈沖測試評估動態(tài)性能，其基本原理圖如下。通過將開關(guān)管打開，負(fù)載電感電流達(dá)到目標(biāo)值后進(jìn)入續(xù)流模式，之后再對開關(guān)管做一次開關(guān)動作，觀察器件開關(guān)行為，提取器件關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)，具體可得到的器件動態(tài)參數(shù)有：

1)開關(guān)損耗Switching loss of Eon and Eoff；

2)開關(guān)時(shí)間Timing of tdon, tdoff, tr and tf；

3)開關(guān)速度Switching speed；

4)開關(guān)波形的振蕩情況Overshoot/undershoot of gate & drain signals；

5)動態(tài)電阻Dynamic Rdson of GaN during switching operation；

6) 反向?qū)ㄐ袨镽everse conduction behaviorin freewheeling mode；

7)等等。

圖1 雙脈沖測試基本電路原理圖

圖2 雙脈沖測試關(guān)鍵波形示意圖

下圖是GaN器件雙脈沖的LTSPICE仿真波形，通過建立器件的SPICE模型，可以對開關(guān)管的開關(guān)過程進(jìn)行模擬，同時(shí)可以得到開關(guān)管開關(guān)過程中的損耗。

圖 3 雙脈沖測試電路LTSPICE仿真波形

云鎵雙脈沖測試系統(tǒng)

02

云鎵GaN雙脈沖測試平臺

由于GaN器件極高的開關(guān)速度導(dǎo)致其對測試環(huán)路的寄生參數(shù)非常敏感。同時(shí)動態(tài)電阻測試條件多樣，因此傳統(tǒng)的雙脈沖測試平臺無法勝任GaN產(chǎn)品的測試工作。為了全面檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能，云鎵半導(dǎo)體自主研發(fā)了適用于GaN功率器件動態(tài)開關(guān)參數(shù)和動態(tài)電阻檢驗(yàn)的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由功率器件開關(guān)測試子母板、高分辨率示波器、高低壓源表、MCU、上位機(jī)自動化測試軟件組成。整個(gè)系統(tǒng)具備極高的測試靈活性，可以根據(jù)不同產(chǎn)品的規(guī)格或封裝需求定制測試板，變更柵極電阻、負(fù)載電感等關(guān)鍵參數(shù)；同時(shí)開發(fā)的自動化發(fā)波和數(shù)據(jù)提取軟件可以真正意義實(shí)現(xiàn)“樂高化組裝、一鍵式測試”；子板上具備鉗位電路，可以讀取器件的導(dǎo)通壓降，可提取器件的動態(tài)電阻。

圖 4 云鎵雙脈沖測試平臺架構(gòu)

圖5 云鎵雙脈沖測試平臺系統(tǒng)

相較于傳統(tǒng)的雙脈沖測試系統(tǒng)，該雙脈沖測試系統(tǒng)獨(dú)特的功能特點(diǎn)如下：

1) 可編程脈沖波形控制，上位機(jī)結(jié)合MCU發(fā)波，“一鍵發(fā)波”，簡單靈活；

2) 子母板設(shè)計(jì)方式，“OnePackage，OneDaughterboard”；

3) 預(yù)留負(fù)載端子，外接L/Rload，可靈活與上管或者下管并聯(lián)；

4) 帶有鉗位電路設(shè)計(jì)，可以監(jiān)測器件導(dǎo)通壓降，支持動態(tài)導(dǎo)通電阻測試功能；

5) PC實(shí)時(shí)抓取示波器上的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析器件的動態(tài)參數(shù)；

6) “一鍵生成電阻變化曲線”，直觀讀圖；

7) 具備器件控溫功能，可以測試不同溫度下的器件特性

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云鎵雙/多脈沖測試演示

本文中的測試展示選擇云鎵型號為CG65065DAD的650V/65mΩ的氮化鎵功率器件作為DUT，如下為測試波形（Yellow:VGS，Green: VDS, Red: Load Current, Blue:Clamped VDS）

圖6 云鎵雙脈沖測試平臺測試波形（DUT：云鎵CG65065DAD）

通過PC處理，提取的GaN動態(tài)電阻如下：云鎵自研的GaN器件在硬開關(guān)測試條件下動態(tài)電阻退化小于5%，且晶圓不同位置的器件動態(tài)電阻表現(xiàn)相近（不同顏色代表晶圓中心/邊緣不同位置），該測試結(jié)果表明：云鎵GaN器件動態(tài)電阻表現(xiàn)在行業(yè)處于領(lǐng)先地位，在系統(tǒng)應(yīng)用中具有巨大優(yōu)勢。

圖7 云鎵雙/多脈沖測試平臺提取的器件導(dǎo)通電阻（不同顏色表示晶圓不同位置的器件）

同時(shí)該平臺還可以配合負(fù)載電阻，形成多脈沖以及連續(xù)脈沖測試電路，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的硬開關(guān)應(yīng)力測試，并做到實(shí)時(shí)動態(tài)導(dǎo)通電阻的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)D-HTOL模式下器件的動態(tài)特性提取。

圖8 連續(xù)脈沖下波形圖