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100 V GaN FET 在 48 V 汽车和服务器应用以及 USB-C、激光雷达和 LED 照明中很受欢迎。然而，小尺寸和最小的封装寄生效应为动态表征这些功率器件带来了多重挑战。本文回顾了GaN半导体制造商在表征这些器件方面面临的挑战，以及一些有助于应对这些挑战的新技术。
近年来，宽带隙（WBG）器件在许多与功率相关的应用中在取代硅基功率MOSFET和IGBT方面取得了显着进展。它们的基本特性使电源应用的关键领域能够得到显著改进。当将GaN与Si进行比较时，众所周知，GaN的更高带隙，更高的电子迁移率和更大的电场电位可实现重要属性，例如更低的损耗（即更高的效率），更快的开关（例如，> MHz）和显着减小的尺寸（即更高的功率密度）。然而，与Si相比，WBG器件在各种电源应用中的使用历史要短得多，尤其是汽车等“高正常运行时间”应用。
JEDEC®于2017年成立了JC-70委员会，以开发所需的新可靠性，表征，测试方法和数据表增强功能，以适当地表征GaN和SiC WBG功率器件。现有的基于Si的标准不足以使设计人员能够确定最适合其应用的WBG器件。例如 Rds（on），表征传导损耗的主要参数是GaN中的一种动态现象，基于电荷被困在晶体管结构中（电流崩溃）。JEP-173是JC-70的首个出版物（于2019年1月发布），为“基于GaN HEMT的功率转换设备的动态导通电阻测试方法指南”提供了标准。
100V 氮化镓 FET 应用示例
最初的D类音频放大器的一个应用是汽车音响系统。与A类放大器相比，该放大器具有更低的功耗和更高的效率（>90%），使“有限功率”的汽车能够拥有多个扬声器和更多声音（>100W）。然而，功耗较低的代价是开关功率较慢的Si MOSFET产生的较高的总谐波失真（THD）。GaN FET 具有明显更快的开关速度（高达 10 倍）和无反向恢复电荷，可提供出色的线性响应并显著降低 THD。除了汽车应用之外，最近您可能还注意到便携式扬声器的蓬勃发展。除了电池技术的进步之外，该应用还通过采用GaN FET设计的高效、紧凑的D类音频放大器来实现。由于GaN的失真属性较低，因此提供了良好的音频质量，而GaN的高效率使得能够在电池上长时间运行是可能的。还有许多其他便携式消费类设备可以利用与便携式扬声器相同的属性。
随着自动驾驶（包括雷达、摄像头、超声波传感器和激光雷达）的更多电力需求发展，汽车系统正朝着更高的电压运行（例如48V）发展。这些功能需要不间断、高度可靠的电源。随着48V总线成为新的更高电压电源系统之一，效率再次成为有限电源（即汽车电池）的关键。GaN技术可实现比Si更好的功率密度，从而最大限度地减少额外的重量、尺寸和热管理。GaN的更高频率开关和更高的效率也减小了必要的无源元件尺寸（例如电感器），进一步减小了功率转换器设计的尺寸。由这些 GaN FET 制成的 DC-DC 转换器 （12V – 48V） 使标准 12V 电源总线能够为这些新兴的汽车系统要求供电。
电机驱动器（例如步进电机，无人机等）是100V和更少GaN器件的另一个大型应用。低损耗通常不需要散热器。GaN可实现更高频率的PWM信号，并显著降低开关损耗。更高频率的开关可减少/消除开关节点振荡，在基于硅的设计中通常需要缓冲电路。
许多不断发展的应用都旨在利用GaN与硅相比的卓越性能。但是，表征这些器件的挑战遵循上述主题：小尺寸（功率密度）和更高的效率。
100V GaN功率器件的特性挑战
第一个主要挑战是封装尺寸。许多 100V（及更低）GaN FET 封装都是球栅阵列 （BGA），范围从 X 和 Y 尺寸的几毫米到 X 和 Y 尺寸的亚毫米不等。这些封装具有 2x2 焊球矩阵和 5 x 15 焊球矩阵。图 1 显示了具有指定 R 的 EPC2045、100 V、16 A GaN eHEMT 器件的示例断续器（on）为 7 毫欧。
图 1. EPC 2045A 尺寸（来源：EPC2045A 数据表，2021 年）。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
BGA（如EPC 2045A）在GaN器件的芯片上几乎没有增加额外的寄生物，使其成为利用高速开关应用卓越性能的理想选择。为什么最大限度地减少封装寄生效应如此重要？主要用于设备的可重复和可靠的动态性能。寄生效应较高的因素会导致开关功率FET产生更多的振铃和潜在的不稳定性。图2显示了带有夹具寄生效应和封装/器件寄生效应的标准DPT测试配置/模型。（注：这张照片摘自是德科技在 2020 年 4 月版 Bodo 的《电源系统》中题为“克服高速功率半导体特性的挑战”的文章。有关寄生效应波形中寄生效应的更多详细信息，请参阅本文。
图 2.DPT夹具设计过程中需要考虑的主要寄生效应。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
由于GaN HEMT和BGA封装的寄生效应非常低（例如，通常<1 nH，因此该GaN FET可以在非常高的频率（例如1MHz）下切换。为了使高频开关能量能够被精确地表征，DPT夹具还必须具有低寄生效应，特别是在功率环路和栅极环路中。这些环路在设计时应考虑到低个位数nH电感（例如3 nH或更低），以最大限度地减少DPT夹具的影响。理想情况下，夹具寄生效应小于器件/封装寄生效应，这对于这些小型GaN FETS来说是极难实现的。
此外，创建一种可重复且可靠的 DUT 连接方法，以便能够测试 GaN FET 的统计有效样本量（例如 >10），这非常具有挑战性。理想的情况是将每个器件焊接在夹具的PCA上。但是，反复焊接和拆焊很容易损坏PCA。可重复接触焊球所需的机械公差要求在 X 和 Y 尺寸上都具有亚 mm 的贴装精度（参见图 1：尺寸 c、d 和 e）。
如上所述，另一个主要挑战是重复表征GaN FET的效率。有三个动态参数是影响效率的主要因素：1）传导损耗，2）开关损耗，以及较小程度上的3）驱动损耗。
1. 传导损耗 （Rds（on）） – 如上所述，Rds（on）是用于氮化镓 HEMT 器件的动态测量。JEP-173 提供了测量和提取此参数的指南。要重复可靠地确定此参数，需要的是一个非常低的寄生 DPT 夹具，提供干净的 V断续器和我d切换波形。此外，需要一个快速箝位电路来快速建立，从而能够测量钳位V断续器和我d切换事件发生后 50-500ns。这些技术将提供最好的Rds（on）测量以与应力电压和时间范围进行比较，以表征GaN FET结构中的电流崩溃。
2. 开关损耗（即 td（上），TR， E（上），吨d（关闭），吨f， E（关闭）） – 这些参数在 IEC 60747-8 标准中指定，通常在功率 FET 数据表中指定。能够重复可靠地测量和提取这些参数在很大程度上取决于夹具设计和寄生效应的最小化。测试条件通常包括 V断续器我d，V克，有时是 L负荷，但几乎总是栅极电阻Rg.Rg是栅极驱动速度的主要控制因素之一，最终也是设备打开强度的主要控制因素之一。最理想的是，Rg是一个小值，允许快速切换转换。但是，如果 DPT 夹具设计未优化且具有不需要的寄生效应，则较大的 Rg需要减慢开关波形以最大限度地减少振铃。
3. 驱动器丢失（即 Qg） – 驱动器损耗通常是损耗中最小的。可重复且可靠的栅极电荷测量和计算 （Qg），需要干净的开关波形，特别是 V克和我g.最小的栅极环路寄生效应对于干净的波形至关重要。
100V 甘型 FET 的可重复且可靠的动态特性
获得小型GaN FET的可重复和可靠动态表征的关键在于关注DPT夹具设计的细节。图1中描述的EPC 2045A被用作目标 DUT。
对是德科技定制化氮化镓解决方案的设计修改
在Bodo电源系统2020年10月版的“GaN功率半导体器件动态表征”一文中，介绍了是德科技用于PD1500A动态功率分析仪/双脉冲测试仪的无焊DUT连接技术（图3和图9）。然而，这种连接技术尚未在EPC 2045A（1.5 mm x 2.5 mm）那么小的器件上进行测试，需要与栅极（单个44.5 μm2圆形焊球靶）进行可重复连接。这些小型GaN FET的固定和配准至关重要。为该器件开发了一个定制电路板，以确定是德科技的无焊接触技术是否能为这种具有挑战性的器件提供可重复的结果（见图 3）。
图片由博多的电力系统提供 [PDF]
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图 3.用于 EPC 2045A 的定制氮化镓板。
经过对设备支架的几次设计迭代，包括顶板上的弹簧张力和底板零件套准的对准孔，我们成功地用这种设计测试了多组零件。
为了进一步最小化栅极环路和电源环路的环路面积，利用多层PCB，在不同层内实现走线布线，以最大限度地减少环路面积。栅极驱动器和可更换 Rg子板被放置在PCB的背面，进一步减少了环路面积。
最后，2020 年 10 月的文章中还提到了对是德科技正在申请专利的电流传感器技术的简化，使分流器能够放置在更靠近 DUT 的位置，从而减少电源环路面积，同时进一步减小传感器的插入电感。总之，这些对是德科技现有定制化镓解决方案的修改为EPC 2045A等设备带来了业界领先的结果。
传导损耗（Rds（on））结果
测试系统设置以测量动态Rds（on）如下表所示。为了测量系统的可重复性，使用相同的EPC 2045A GaN FET进行了10次测试，并在每次测试之间重新拔插器件。下面的另一个表显示了结果。小于10 mΩ的最大/最小测量变化非常适合无焊接DUT连接技术。是德科技有进一步改进这一关键参数的想法。
图 4.R 的示例波形ds（on）测量。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
开关损耗结果
用于测量动态开关损耗的测试系统设置以及一些标准开关时间参数如下表所示。为了彻底了解变异的来源，进行了两组10次测量。第一组将DPT循环10次，没有重新拔插部件。这样就可以了解仪器测量和提取算法的可变性。在第二组测试中，GaN FET在每次测试之间重新拔插，就像Rds（on）测量一样。对导通和关断波形进行了统计（见图5 &6）。
| 双脉冲测试设置 | |
| V断续器 | 60 伏 |
| 我d | 15 安培 |
| V克 | 5V / -1V |
| Rg | 4.7 Ω |
| L负荷 | 207 微高 |
| 提取标准 | 符合 IEC 60747-8 标准 |
| 温度 | ~ 25°摄氏度 |
图 5. 开关损耗测量的示例波形 – 打开。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
图 6.开关损耗测量的示例波形 – 关闭。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
统计分析的结果如下表所示。很明显，当EPC 2045A在两次测试之间没有被移除时，结果没有太大的测量变化。开关时间的最大/最小变化范围为~ 50 ps 至 ~ 135 ps。而开关损耗的最大/最小变化仅为58 nJ和79 nJ。
| 不带部件拆卸 | td（关闭）（秒） | tf（秒） | E（关闭）（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 |
| 标准/平均 | 0.40% | 0.40% | 2.37% |
| 不带部件拆卸 | td（关闭）（秒） | tf（秒） | E（关闭）（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 |
| 标准/平均 | 0.75% | 0.54% | 0.68% |
| 移除零件 | td（关闭）（秒） | tf（秒） | E（关闭）（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 |
| 标准/平均 | 6.52% | 11.05% | 3.19% |
| 移除零件 | td（关闭）（秒） | tf（秒） | E（关闭）（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 |
| 标准/平均 | 8.07% | 5.15% | 6.98% |
图 7.电源环路电感，L.PL= V下垂/地d/dt = 9V / 5.363 GA/s = 1.68 nH。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
即使在移除器件时，敏感时间测量中的最大/最小变化也仅为~500 ps至~2.5 ns，最大/最小开关损耗变化小于1 μJ。考虑到器件的尺寸、无焊连接以及最小化寄生效应的难度，这些都是出色的结果。毫不奇怪，定制GaN板的功率环路电感小于2 nH（见图7）。
| 双脉冲测试设置 | |
| 断续器 | 60 伏 |
| 编号 | 15 安培 |
| 断续器 | 5V / -1V |
| 断续器 | 100 Ω |
| 负载 | 207 微高 |
| 萃取标准 | 耶稣经社 24-2 |
| 温度 | ~ 25°摄氏度 |
| 秦（三） | 5.99E-09 |
| 四分之一（C） | 1.19E-09 |
| Vg（pl） （V） | 2.19 |
| 24-2日本脑电图 （C） | 1.86E-09 |
| 二甲基苯二加磷酸乙二胺四乙酸乙酯（三级） | 4.60E-10 |
驱动器损失结果
影响功率器件损耗的最后一个参数是 Qg.测试系统设置，用于测量和提取Qg如上表所示，以及反映典型 Q 单次测量结果的表格g参数。在大部分接近理想原始Q的情况下获得了出色的结果g波形和提取的栅极电荷图（见图8）。
图片由博多的电力系统提供 [PDF]
图 8.提取 Qg图形 （V克与 Qg） 和原始 Qg数字相位检测波形。图片由博多的电力系统提供 [PDF]
总结
对于许多传统的基于硅的功率MOSFET应用而言，低压GaN FET（即100 V）正在减小尺寸，最大限度地降低冷却要求，并提高效率。如前所述，要重复可靠地表征这些器件的动态性能，存在许多挑战。定制GaN夹具和测试板的仔细和周到的机械和电气设计可以克服其中的许多挑战，从而可以在您的功率转换器设计中自信地使用这些新的WBG器件。
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