高頻開關應用下 GaN 功率器件開關運行狀態(tài)可靠性試驗方法

1高頻開關應用下GaN功率器件開關運行狀態(tài)可靠性試驗方法本文件規(guī)定了用于評估高頻開關應用下（頻率≥100kHz）GaN功率器件開關運行狀態(tài)可靠性試驗方法，用以表征及評估GaN功率器件在連續(xù)開關應力作用下器件的退化及失效，以確保其以快充適配器代表的典型應用領域下穩(wěn)定運行，實現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的提T/CASAS034—2024用于硬開關電路的氮化鎵高電子遷移率晶體管動態(tài)導通電阻測試方法3.1被測器件在動態(tài)且高溫的條件下進行長期不間斷運行測試的一種方法，旨在深入評估和驗證氮化鎵功率器件在復雜多變的實際應用環(huán)境中的使用壽命和可3.2漏極電流（隨時間實時變化）draincurrentoftheDUT,timevaID3.3源漏電壓（隨時間實時變化）draintosourcevoltageofDUT,timev3.4Tj3.5被測器件殼溫casetemperatureoTC2被測器件工作時封裝外殼的溫度，反映器件在工作時由于內部功耗產生的熱量與外界環(huán)境熱交換3.6RθJC3.7fSW3.8D開關測試過程中，器件處于導通狀態(tài)的時間與整個開關周期時間3.93.10tfGaN功率器件開關運行可靠性測試過程中通過對器件施加的動態(tài)電壓和電流信號來模擬實際應用場當前GaN功率器件廣泛應用的快充適配器為例，其常用的拓撲結構包含準諧振反激（QR）、功率因數(shù)校程，可以用簡化的硬開關/軟開關測試電路或者實際的系統(tǒng)電路（如QR電路）來對應，以模擬器件開關硬開關模式特點是器件開啟或關斷過程中存在電壓和電流的交疊區(qū)域，如圖3?；谟查_關電路的開關運行狀態(tài)可靠性表征可以用于評估器件在以PFC為代表的高頻AC/DC轉換電路中器件的可靠性表現(xiàn)及壽3RILLRILLVO D OG D OSiDS開啟時的切換軌跡關斷時的切換軌跡vDS圖1阻性感性負載硬開關過程：電路圖及iD-vDS軌跡圖GORDSiDS開啟時的切開啟時的切換軌跡關斷時的切換軌跡vDS圖2阻性負載硬開關過程：電路圖及iD-vDS軌跡圖2）半橋、全橋等多器件拓撲Buck降壓的電路圖及iD-vDS軌跡圖如圖4所示。Buck降壓電路驅動互補的上下兩個橋臂：上橋臂晶體管開啟為硬啟或關斷過程中不存在電壓和電流的交疊區(qū)域，如圖5。基于同步Buck降壓電路的開關運行狀態(tài)可靠性表征可以用于評估器件在以LLC為代表的高頻DC/DCiDS開啟時的切換軌跡DGOvDS關斷時的切換軌跡DGOvDS關斷時的切換軌跡SLoadiDS關斷時的切換軌跡vDSILoadiDS關斷時的切換軌跡vDSVCINGDSCO▲開啟時的切換軌跡其為目前中低瓦數(shù)快充適配器主要采用的電路，其簡化的電路示意及iD-vDS軌跡圖如圖6所示。在件的快充適配器方案已經非常成熟，因而部分GaN器件或系統(tǒng)廠商會直接采用多組適配器系統(tǒng)來開展開5iDS開啟時的切換軌跡關斷時的切換軌跡vDS圖6準諧振反激電路：電路圖及iD-vDS軌跡圖溫試驗箱、測試電路及負載設備等。其典型構成圖高溫測試箱示波器測試電路系統(tǒng) 信號發(fā)生器溫度/功率信息采集儀器6開關運行狀態(tài)可靠性試驗一般方法是在固定的溫度環(huán)境下（根據(jù)器件實際應用場景選擇測試溫度中，實時或者于特定試驗時間（如168/500/性能參數(shù)進行對比，評估器件的性能退化情況。其主要測試流程步驟如圖9所示，對應的試驗過程中典I對比測試前后及過程中參數(shù)變化，輸出測試77.2測試流程GaN功率器件開關運行狀態(tài)可靠性試驗測試流a)應力前表征樣品電學特性或物理性能及系統(tǒng)參數(shù)等特性參數(shù)，電學特性包括導通電阻件熱阻（RθJC）等，系統(tǒng)參數(shù)包含效率(η)等。b)根據(jù)GaN功率器件的封裝形式，選擇合適的測試裝置及系統(tǒng)。依據(jù)器件實際工作的環(huán)境溫度2)器件開關過程中上升時間（tr）和下降時間（tf）滿足開切換速度大于10v/ns；3)器件工作過程中結溫Tj小于額定最大值；開關運行狀態(tài)可靠性試驗，以下參數(shù)的記錄可用于描述開關a)施加在其漏端的電壓（VDS）b)施加在其柵端的電壓（VGS）l)系統(tǒng)效率(η)9GaN功率器件開關運行狀態(tài)可靠性測試記錄表測試記錄表如表求選系統(tǒng)電壓(VDD)或母線電壓（VBUS）器件殼溫(TC)開關頻率(fSW)電流峰值(Ipeak)開關應力時間（tstress）器件物理參數(shù)(TC，RθJC等)IDS(ON)，RDS(ON)等)1234DC母線電壓VBUS器件參數(shù)表額定電壓VDS的80%及以上或者實際系520V及以上（對應參數(shù)表中VDS,max=650V）工作結溫Tj器件參數(shù)表規(guī)定的工作結溫Tj范圍中最惡劣的情形一般采用25℃≤Tj≤150℃作為工作結溫（對尖峰電流Ipeak開關頻率fSW開關運行狀態(tài)可靠性試驗建議的樣本數(shù)量及失效判據(jù)參考如表C1)應力過程中監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)異常（器件殼溫TC超過設定安全工作2)應力過程中或者應力后監(jiān)控電性參數(shù)大于基于B.1示意的測試應力條件以及表C.1示意的測試樣本數(shù)量建議，一個典型的DHTOL測試實驗示例測試電路采用半橋降壓電路如圖11所示，自熱效應其殼溫（TC）約60℃,依照器件熱阻計算開關運行過程中器件對應結溫（Tj）約80℃。 VTH漂移量小于30%,漏電參數(shù)IDSS、IG漂移量小于100倍。基于以上數(shù)據(jù)可判斷器件通過HTOL可靠性試 VTH1(V)2.0VTH1(V)50RDSRDS(ON)(mΩ)403530IDSSIDSS(μA)2