GaN器件SOA测试电路的研究

GaN器件SOA测试电路的研究

李博然  李汝冠  岳龙  谭思健

广州广电计量检测（上海）有限公司  上海  201808

摘要：第三代半导体材料GaN器件以其开关速度快、临界电场高、高热导率等特点在新能源汽车、航空航天、电力电子和无线通信等领域发挥重要作用并被广泛应用，因此受到众多生产厂家关注并开始竞相研发和量产。开关器件在长时间高电压大电流状态下会承载较大的功率，面对突然的过压或过流都有可能导致开关器件过载而失效。因此，如何保证开关器件在特定条件范围内可靠地运行，安全工作区是一个重要的评判标准。本文以GaN器件为例，阐述功率半导体安全工作区的测试方法。同时因为SOA作为一种极限应力参数的实验，可能对板件造成不可修复的损坏，从而影响实验进度同时造成资源的浪费，本文提出一种新的实验方案同时设计新的实验电路板，在保证实验数据准确性的同时，满足可被测品易于更换，主电路板在被测品失效的条件下不受损坏的要求。

关键词：GaN器件、安全工作区、杂散

中图分类号：TV213.4            文献标志码：A

1.前言

安全工作区(SOA)指功率半导体器件能够安全可靠地进行工作的电流和电压范围，当器件超出此范围的电流电压区域工作时容易发生损坏。一般商用功率半导体的数据手册里面都会提供SOA曲线，一方面能直观反映器件的性能，另一方面可以方便工程师进行电路设计。为了得到SOA曲线，往往先需要工程师制定一套安全准确的试验方法得到测试数据。在IEC 60747-8标准中详细列出了SOA的测试要求和条件，目前SOA的测试方法主要分三种：即FBSOA、RBSOA和SCSOA。以下主要介绍FBSOA试验原理和测试实例，以及采用哪些措施来改进试验方法提高试验准确性。

2.FBSOA的试验原理和测试方案

2.1试验原理

FBSOA验证额定功率场效应晶体管在无感负载的指定条件下的正向偏置安全工作区域。在IEC 60747-8标准中定义了验证FBSOA的基本原理图如图2-1所示。

图2-1 FBSOA基本原理图

其中Q1外壳温度为指定值，该设备以指定的脉冲持续时间与占空比打开和关闭。监测VDS和ID波形。调节栅极的脉冲电压或直流电压直到VDS和ID达到指定的脉冲值。在这些操作条件下，被测器件在指定的测试持续时间内或指定的脉冲数内运行（视情况而定）。

2.2测试方案电路原理

SOA试验需要用到不同梯度的脉宽和电压去测试，所以要尽可能设计成方便切换测试条件的电路。测试的电压往往会加到几百上千伏特，需要注意工程师自身的安全问题以及试验本身会对硬件设备的损坏。同时考虑到试验会受到杂散电感等寄生参数造成栅极震荡失效的情况而导致器件失效。鉴于上述这些问题，基于FBSOA的基本原理，设计出一款FBSOA的测试电路，其原理图如图2-2所示：

图2-2 FBSOA测试原理图

电路使用半桥拓扑结构，脉宽信号通过驱动芯片输出到上管陪测器件IGBT，利用IGBT的导通时间来控制直流母线电压流过GaN器件时间，以此可以测试到相应的波形。IGBT可以选择耐压较高同时通流能力较大的模块，可以重复利用。通过专用的驱动电路对IGBT进行驱动，保证其稳定性，驱动芯片1EDC60H12AH为英飞凌开发的为功率器件设计的专用驱动芯片，其拉电流与灌电流的能力均达到6A，输出高低电平差值可达40V，保证了陪测品的可靠开通与关断，同时可以通过调试栅极电阻和设置合适栅极电压去调整IGBT开关速率。DC-DC电源模块输出的正电压经过三端稳压器后作为栅极电压输入到GaN器件，通过调节R3阻值来设置栅极电压大小，其输出电压从1.2-36V均可线性调整在输入到GaN器件的栅极之前通过大的滤波电容以及栅极电阻组成RC滤波电路，减少因为瞬时电流造成的栅极震荡，保证测试可靠性。

2.3测试PCB相关说明

良好的PCB布局对测试影响较大，因为板件布线布局的影响，可能在测试中引入杂散电感等寄生参数，寄生参数可能造成栅极震荡，源极震荡从而导致样品失效或者测试参数误差较大，所以需要通过良好的设计减少寄生参数满足测试要求，电路板图如下图2-3所示

图2-3 SOA测试底板

其中三个支撑电容作为主电路起到滤波支撑的作用，其大面积覆铜使用层间电容减少线路杂散电感的影响，驱动电路到栅极尽量减少线长，从而减少杂散的影响，保证栅极震荡较小。

3.SOA实测案例

通过测试GaN器件在不同温度条件、不同电压、不同脉冲宽度下应用极限的最大功耗能力来定义SOA曲线。给定需要测试的GaN器件电压VDS及脉冲宽度tp，让GaN器件在VDS下导通tp时间，记录器件此时的栅源电压VGS、漏源电压VDS和漏源电流ID。通过调节器件的栅极驱动，逐渐增加电流值直到器件损坏。按照上述思路进行FBSOA试验，试验平台如图3-1所示：

图3-1 试验平台

以试验条件为外壳温度25℃、VDS为500V、脉宽100us、dut栅极电压1V开始0.2V步进增加为例，GaN器件未失效时测试波形如图3-2、图3-3所示（波形从上往下依次为被测品VGS，陪测品VGS，ID）

图3-2 栅极电压2.6V时测试波形图

图3-3 栅极电压5.4V时测试波形图

当栅极电压给到6V时，GaN器件失效，示波器截取到失效瞬间的波形如图3-4所示：

图3-3 栅极电压6V失效波形图

从上述现象不难看出，陪测品其栅极震荡较小，不易损坏，被测品的VGS为平滑的直线，对其栅极的冲击可以忽略不计，从而排除栅极失效对测试的影响，保证可靠性；也不难看出随着被测品栅极电压的逐步增加，电流也逐步增加，直至电流失控，样品失效，根据上述波形便可以绘制或验证样品的SOA曲线。

4.总结

GaN器件越来越广泛，安全工作区是评判器件可靠程度的一个重要指标。本文基于GaN器件，介绍了功率器件SOA测试的方法。利用示波器截取到器件失效瞬间的各种波形数据，生产厂家能够以此绘制或修正安全工作区曲线图。我们可以依照安全工作区曲线图在合理范围内正确使用该器件，有效避免影响整机质量和提高设备可靠性。同时，测试电路原理图设计、PCB布局布线、EMC干扰、导线引入的杂散等都有可能影响测试结果的准确性，如何尽可能减少干扰导致的误差，本文也提出了相关的解决方案，并在测试中得到了验证，其波形正常，能准确直观的得到相关的波形数据，排除了栅极震荡造成样品失效的影响。

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作者简介：李博然（1995-），男，汉族，云南昆明，科研主管/工程师，硕士研究生，广州广电计量检测（上海）有限公司，研究方向：电力电子与电气传动。