新型功率器件

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型功率器件如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。然而，這些器件在長(zhǎng)期連續(xù)使用后會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導(dǎo)致性能退化。如何在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確評(píng)估這些器件的老化特性，成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，針對(duì)功率器件的老化測(cè)試主要包括多種不同的測(cè)試方式。其中，JEDEC制定的老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（如HTGB、HTRB、H3TRB和功率循環(huán)測(cè)試）主要針對(duì)傳統(tǒng)的硅基功率器件。對(duì)于新型的SiC等功率器件，AQG-324標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步要求增加動(dòng)態(tài)老化測(cè)試，如動(dòng)態(tài)柵偏和動(dòng)態(tài)反偏測(cè)試。

這些傳統(tǒng)測(cè)試方法大多采用單一應(yīng)力條件對(duì)功率器件進(jìn)行加速老化，并通過測(cè)試某一特定指標(biāo)來了解器件的老化情況。然而，由于應(yīng)力條件的單一性，這些方法在老化測(cè)試過程中難以全面評(píng)估器件的性能。特別是在面對(duì)新型功率器件時(shí)，傳統(tǒng)的單一應(yīng)力測(cè)試方法可能無法發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷問題，從而無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件在實(shí)際使用中的長(zhǎng)期可靠性。

新型老化測(cè)試方法：

高溫工況老化測(cè)試（HTOL）

為了更全面地評(píng)估功率器件的老化特性，高溫工況老化測(cè)試（HTOL）逐漸受到功率器件測(cè)試工程師的關(guān)注。HTOL通過將功率器件放置在實(shí)際的電源電路中，模擬其在工況狀態(tài)下的工作條件。通過連續(xù)的硬開關(guān)或軟開關(guān)電路施加應(yīng)力進(jìn)行老化測(cè)試，HTOL能夠提供更加接近真實(shí)使用場(chǎng)景的老化效果，從而更準(zhǔn)確地反映器件在綜合應(yīng)力條件下的表現(xiàn)。

以硬開關(guān)老化為例，參考JEP182標(biāo)準(zhǔn)給出的幾種HTOL測(cè)試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，被測(cè)器件可以在電路中分別處于硬開關(guān)、軟開關(guān)和阻性負(fù)載開關(guān)組成的不同拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)中。這種測(cè)試方法能夠更全面地模擬器件在實(shí)際應(yīng)用中的工作狀態(tài)，從而更有效地評(píng)估其長(zhǎng)期可靠性。

以上圖（a）為例，電路結(jié)構(gòu)類似雙脈沖形式，在上管回路中加入功率電阻，用來在續(xù)流階段消耗電感能量，以保證在連續(xù)開關(guān)過程中的電流平衡。由于電感L的能量在電阻R上耗散掉，因此電阻R會(huì)大量發(fā)熱，導(dǎo)致在大功率測(cè)試條件下需要使用大尺寸的散熱片，導(dǎo)致電路體積增大，并嚴(yán)重限制電路運(yùn)行的總功率，無法讓芯片工作在高壓和大電流的條件下。

為了提高老化效率，增強(qiáng)老化過程中的應(yīng)力條件，讓功率器件工作在更接近真實(shí)場(chǎng)景的條件下，我們可以進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)試電路。為了降低散熱，提高電路工作效率，我們將老化電路中的電阻負(fù)載去除，通過使用電感負(fù)載，讓功率器件工作在硬開關(guān)條件下，同時(shí)避免能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃亢纳ⅰ?/p>

我們可通過控制四個(gè)功率器件開關(guān)的先后順序，使Q1/Q4工作在連續(xù)硬開關(guān)條件下，Q2/Q3工作在續(xù)流狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)無電阻負(fù)載的連續(xù)硬開關(guān)電路。我們以量芯微650V GaN HEMT器件為例，進(jìn)行HTOL測(cè)試，開關(guān)頻率控制在100KHz。在連續(xù)因開關(guān)過程中，使用示波器（泰克公司）、高壓電源（EA 1500V高壓直流電源）、鉗位測(cè)試探頭（湖南欄海電氣，小于100ns穩(wěn)定時(shí)間），測(cè)量功率器件在到通過程中的導(dǎo)通電阻變化趨勢(shì)，了解功率器件的老化過程。

實(shí)際測(cè)試案例與結(jié)果分析

以量芯微650V GaN HEMT器件為例，進(jìn)行HTOL測(cè)試。測(cè)試中，使用泰克公司的示波器、EA 1500V高壓直流電源和湖南欄海電氣的鉗位探頭，測(cè)量功率器件在開關(guān)過程中的導(dǎo)通電阻變化趨勢(shì)。

通過控制功率器件開關(guān)的先后順序，實(shí)現(xiàn)無電阻負(fù)載的連續(xù)硬開關(guān)電路。測(cè)試結(jié)果顯示，在61小時(shí)的測(cè)試過程中，GaN器件與CREE公司的SiC MOSFET的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯抬升。進(jìn)一步提高測(cè)試電壓至520V后，經(jīng)過245小時(shí)的測(cè)試，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻出現(xiàn)緩慢上升，但整體仍保持在合理范圍內(nèi)。通過線性擬合，可預(yù)測(cè)器件在特定條件下的連續(xù)工作壽命。

下圖為使用泰克MSO58B系列示波器測(cè)試動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻波形，我們通過導(dǎo)通電壓與導(dǎo)通電流相除，得到特定位置的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻阻值。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試后，可以看到動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的相對(duì)漂移情況。

在測(cè)試過程中，功率器件連續(xù)硬開關(guān)會(huì)產(chǎn)生開關(guān)功率損耗導(dǎo)致自身發(fā)熱，為了避免發(fā)熱導(dǎo)致的結(jié)溫變化影響功率器件特性改變，我們通過外加紅外溫度測(cè)試的方式，監(jiān)控器件殼溫，并通過風(fēng)扇散熱建立控溫閉環(huán)回路，確保長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)功率器件的結(jié)溫穩(wěn)定。

第一次測(cè)試中，我們選擇量芯微 TO-247-4 封裝的 GaN 功率器件與CREE公司的 C3M0040120D（1200V/66A）SiC MOSFET進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試條件一致，均為器件殼溫80℃，開關(guān)頻率100KHz，工作電流15A，工作電壓400V。在61小時(shí)的測(cè)試過程中，我們比對(duì)兩種不同類型器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化曲線，如下圖所示（縱軸為導(dǎo)通電阻，單位是毫歐）：其中藍(lán)色曲線為 CREE SiC 器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試結(jié)果，約為110毫歐。紅色曲線為GaN器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試結(jié)果約為54毫歐，曲線最前面的脈沖尖峰是測(cè)試過程中調(diào)整測(cè)試參數(shù)導(dǎo)致的。在同樣時(shí)間段內(nèi)，兩顆器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻基本保持穩(wěn)定，測(cè)試過程中均未出現(xiàn)明顯的抬升。

在上述老化過程中，直流電源輸出電壓400V，直流電流小于100mA，測(cè)試過程中單顆器件的系統(tǒng)直流功耗不到40W，相比傳統(tǒng)HTOL老化電流，大幅度節(jié)省了電源功耗，降低測(cè)試成本。

為了進(jìn)一步提高老化速度，看到更加明顯的老化效果，第二次測(cè)試中我們選擇工作電壓作為老化加速因子，將測(cè)試電壓從400V 提高至520V，其他測(cè)試條件不變，再次進(jìn)行測(cè)試。HTOL 總運(yùn)行時(shí)間增加為 245 小時(shí)，共記錄29100個(gè)動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試結(jié)果，每個(gè)測(cè)試結(jié)果的時(shí)間間隔為30s。

上圖中顯示了在大約10天的連續(xù)測(cè)試中，其中縱軸數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試結(jié)果，橫軸為測(cè)試樣點(diǎn)序號(hào)，被測(cè)功率器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化曲線如圖中所示。由于測(cè)試環(huán)境中晝夜溫度的變化對(duì)測(cè)試電路的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)周期性的起伏波動(dòng)，但長(zhǎng)期趨勢(shì)可以看出動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻在緩慢上升。與下圖同期北京天氣數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看到起伏規(guī)律基本相同，可以確認(rèn)環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定影響。

通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以得到動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻上升的斜率約為6.93*E-5。假設(shè)功率器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻上升30%時(shí)，器件壽命達(dá)到極限。那么按照520V，15A，器件殼溫80℃，50%占空比的測(cè)試條件下，器件連續(xù)工作壽命可以達(dá)到1724小時(shí)。考慮到該器件的實(shí)際工作電壓為400V，在正常工況下的連續(xù)工作時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)長(zhǎng)于這個(gè)數(shù)值。

通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出量芯微提供的650V高壓GaN器件在老化特性上與SiC器件基本達(dá)到了同樣的品質(zhì)水平，當(dāng)工作電壓提升至520V時(shí)，可以看到導(dǎo)通電阻雖然出現(xiàn)緩慢提升，但仍可以保持較長(zhǎng)的工作壽命。通過類似HTOL老化測(cè)試方法，可以幫助我們?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)了解新型功率器件的老化過程和性能退化情況，幫助研發(fā)和設(shè)計(jì)工程師快速改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品性能。

泰克創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室：

助力功率器件測(cè)試與評(píng)估

泰克創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室V2.0經(jīng)過全面升級(jí)，設(shè)備更新且測(cè)試能力大幅提升，能夠滿足第三代半導(dǎo)體功率器件的多樣化測(cè)試需求。此次升級(jí)涵蓋了GaN器件開關(guān)測(cè)試、動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試、SiC功率器件的短路測(cè)試和雪崩測(cè)試，以及更全面的靜態(tài)參數(shù)和電容參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。此外，實(shí)驗(yàn)室還引入了全新的可靠性測(cè)試系統(tǒng)，專注于第三代半導(dǎo)體功率器件的性能評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)室特別引入了高溫度操作壽命（HTOL）測(cè)試方法，能夠模擬器件在實(shí)際工作環(huán)境下的老化過程，通過高溫加速器件退化，快速獲取老化特性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅具有較高的說服力，還能為產(chǎn)品的保修期限和維護(hù)計(jì)劃提供重要指導(dǎo)。HTOL測(cè)試還能預(yù)測(cè)器件在特定工作條件下的預(yù)期壽命，幫助設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化過程中做出精準(zhǔn)決策。