2020年12月04日 | 氮化镓市场火热，给测试测量行业带来了哪些挑战？

本文编译自EETimes

评估电子设备的质量和耐用性是测试和测量的重要作用。测试测量对氮化镓（GaN）尤为重要，这既是因为宽带隙材料具有巨大潜力，可以满足新兴应用的更高效率的功率转换需求，又因为GaN缺乏硅那样的悠久历史，所以可靠性相对较低。

基于宽带隙半导体的开关特性，例如高电子迁移率，高击穿电压和低导通电阻，已经促使电源设计工程师开始考虑改善电源的可能性。宽禁带电源模块的优势比其同类芯片产品大几个数量级，其中包括10倍的耐压，10倍至100倍的开关速度以及十分之一的功率损耗。它们本身也经过辐射硬化处理（rad-hard），理论结温可高达600°C。除了较低的散热要求外，该技术还可以为电力系统提供比目前的硅基器件高10倍的功率密度。

SiC有望实现轻量化，以降低航空航天业的燃油消耗和排放。对于给定的电压和电流额定值，这种材料有助于在更小，更轻的设备中实现更高的开关频率和更高的功率密度。

GaN与硅一样，可用于制造半导体器件，例如二极管和晶体管。电源设计人员可以选择GaN晶体管而不是硅，因为它的外形小巧且效率高。与具有更高散热要求的硅器件相比，GaN晶体管的耗散功率更低，导热性更高。GaN晶体管越来越多地用于汽车领域的各种领域，如动力总成，电流的转换和使用，并有望在这些应用中取代硅。

EE Times Europe采访了Keysight Technologies（是德科技）精密仪器和电源产品业务开发经理Alan Wadsworth以及Keysight电源解决方案顾问Mike Hawes，就测试测量行业如何满足宽带隙半导体应用领域的关键问题提出了Keysight的见解。

EE Times：功率半导体制造商认为，GaN基器件是解决扩展可再生能源的主要障碍的关键。针对测试测量行业方面来说，面临着哪些挑战？

Alan Wadsworth：GaN在开关模式电源转换器中使用时，具有比硅更高的基本优势，例如：更高的电压，更低的损耗，更紧凑的外形和更快的开关速度。但是，其比“可靠的”硅基功率产品更大的风险。因此，对于基于GaN的产品设计人员来说，存在一些挑战。

GaN器件的表征

GaN器件的表征提出了所有宽带隙器件共有的一些挑战，以及某些GaN特有的挑战。常见的挑战之一是数据手册通常不足以准确地表示器件的操作性能。还需要在正常工作条件（数百安培和数千伏特）下准确表征非常小的导通电阻。该器件必须在数千伏的偏压下准确表征。栅极电荷特性必须在一定范围的工作条件下进行测量（同样要在几百安培和几千伏特的条件下）。并且需要动态特性，包括传导，驱动和开关损耗。

GaN器件还具有一些独特的特性，例如与SiC器件不共享。GaN器件的独特之处在于它们会经历一种称为电流崩塌的现象。这种行为使晶体管的导通电阻在导通后会动态变化，导通电阻的初始值取决于漏极电压的大小和在截止状态下的时间。所以，除非充分理解并抑制这种现象，否则不可能使用GaN器件设计可靠的电路。

图1：具有双脉冲测试仪（PD1500A）的动态功率设备分析仪（图片：是德科技）

GaN器件建模

由于GaN器件具有快速切换功能（例如，上升和下降时间不到10纳秒），因此精确的器件模型很少见。无法进行分布式电路分析的仿真器将不能准确反映设计中的振铃和不稳定性。许多传统的功率器件模型和仿真器无法反映设计的真实操作，从而导致采用反复试验的方法进行多次原型迭代的设计。

GaN器件的可靠性

由于缺乏数十年在电源中的积累应用，GaN需要进行大量测试才能确定设备在关键任务应用（如可再生能源）中的可靠性。业界正在进行大量投资，以更好地评估GaN功率器件满足多种功率应用需求的能力。在过去的几年中，JEDEC成立了JC-70工作组，以为宽禁带功率半导体（尤其是GaN和SiC）开发适当的标准。 JC-70的重点领域是关注可靠性，Datasheet和测试方法/特性。

EETimes：宽带隙半导体的测试测量产品与硅应用相比如何？你能举个例子吗？

Mike Hawes：硅和宽禁带器件（尤其是GaN）之间的关键区别之一是开关速度。GaN器件的开关速度通常比同类硅晶体管快10到100倍。在功率转换电路中工作的GaN器件的开关频率本身不够快，不会产生问题，但是开关的高频分量会产生电磁干扰[EMI]。

EMI当然在硅晶体管上也存在，但在GaN器件中更难缓解。原因是速度更快的器件产生的电压变化更快，这可能会导致场效应晶体管的错误导通。如果发生这种情况，那么产生的浪涌电流会产生大量热量，可能会导致灾难性的电路故障。

如果设备建模软件可以准确预测其行为，则可以帮助防止开关电路中出现此类问题。但是，准确地测量GaN器件的开关性能并非易事。

EETE：您的客户在GaN市场中有哪些要求，特别是在电源领域？

Hawes：基于上述讨论的问题，许多客户希望使用一种现成的，标准化且可支持的解决方案来准确表征GaN器件的开关性能。这通常使用所谓的双脉冲测试方法来完成。是德科技在2019年推出了针对硅和SiC器件的商用双脉冲测试（DPT）解决方案（PD1500A），该解决方案已被全球多个客户使用。是德科技使PD1500A能够接受定制的GaN DUT板，从而允许将DPT用于GaN HEMT和GaN GIT器件。GaN共源共栅器件应尽快得到支持。尽管需要定制的GaN DUT板，但PD1500A现在能够配置为测试分立的Si MOSFET，IGBT，SiC MOSFET和GaN MOSFET。

EETimes：GaN旨在为数字化、能源效率和未来移动领域中的一些主要挑战提供解决方案。哪些技术可以为测试测量市场提供创新能力？

Wadsworth：GaN器件的特性对于您提到的市场中的设计师至关重要。业界正在努力测量具有如此高的电压和电流要求以及高开关速度（带宽）要求的GaN器件的动态特性。表征设备和设置中的bug常常掩盖了被测GaN器件的真实动态性能，所以需要DPT夹具重新设计为低电感的，并且电流测量以及器件与夹具都需要均匀连接。

需要改进模型以考虑GaN器件的高频特性，再加上能够准确考虑分布式电路分析的仿真器，该仿真器能够模拟高频效应。电动汽车中使用的功率转换器的温度，建模/仿真也需要正确表示设计的热效应。

对于电源转换设计师来说，这是一个令人兴奋的时刻。但是，随着新技术在不断变化，需要进行额外的建模、表征和可靠性测试，才能使GaN功率半导体在这些市场中实现其较高的期望。