新型功率器件如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）憑借其優(yōu)異的性能，在各類電子設備中得到了廣泛應用。然而，這些器件在長時間連續(xù)使用后，不可避免地會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，進而導致性能退化。因此，如何在較短時間內(nèi)準確評估這些器件的老化特性，成為了行業(yè)內(nèi)關注的重點問題。
目前，針對功率器件的老化測試有多種方式。其中，JEDEC 制定的老化測試標準（如 HTGB、HTRB、H3TRB 和功率循環(huán)測試）主要適用于傳統(tǒng)的硅基功率器件。而對于新型的 SiC 等功率器件，AQG - 324 標準進一步要求增加動態(tài)老化測試，例如動態(tài)柵偏和動態(tài)反偏測試。不過，這些傳統(tǒng)測試方法大多采用單一應力條件對功率器件進行加速老化，并且僅通過測試某一特定指標來了解器件的老化情況。由于應力條件的單一性，在老化測試過程中難以全面評估器件的性能。特別是對于新型功率器件，傳統(tǒng)的單一應力測試方法可能無法發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷問題，也就無法準確預測器件在實際使用中的長期可靠性。
為了更全面地評估功率器件的老化特性，高溫工況老化測試（HTOL）逐漸受到功率器件測試工程師的青睞。HTOL 通過將功率器件放置在實際的電源電路中，模擬其在工況狀態(tài)下的工作條件。通過連續(xù)的硬開關或軟開關電路施加應力進行老化測試，HTOL 能夠提供更加接近真實使用場景的老化效果，從而更準確地反映器件在綜合應力條件下的表現(xiàn)。
以硬開關老化為例，參考 JEP182 標準給出的幾種 HTOL 測試拓撲結(jié)構，被測器件可以在電路中分別處于硬開關、軟開關和阻性負載開關組成的不同拓撲電路結(jié)構中。這種測試方法能夠更全面地模擬器件在實際應用中的工作狀態(tài)，從而更有效地評估其長期可靠性。
以上圖（a）為例，電路結(jié)構類似雙脈沖形式，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)開關過程中的電流平衡。但由于電感 L 的能量在電阻 R 上耗散掉，電阻 R 會大量發(fā)熱，導致在大功率測試條件下需要使用大尺寸的散熱片，這不僅會使電路體積增大，還會嚴重限制電路運行的總功率，使芯片無法工作在高壓和大電流的條件下。
為了提高老化效率，增強老化過程中的應力條件，讓功率器件工作在更接近真實場景的條件下，我們可以進一步改進測試電路。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載去除，通過使用電感負載，讓功率器件工作在硬開關條件下，同時避免能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃亢纳ⅰ?/p>
我們可通過控制四個功率器件開關的先后順序，使 Q1/Q4 工作在連續(xù)硬開關條件下，Q2/Q3 工作在續(xù)流狀態(tài)，從而實現(xiàn)無電阻負載的連續(xù)硬開關電路。我們以量芯微 650V GaN HEMT 器件為例，進行 HTOL 測試，開關頻率控制在 100KHz。在連續(xù)開關過程中，使用示波器（泰克公司）、高壓電源（EA 1500V 高壓直流電源）、鉗位測試探頭（湖南欄海電氣，小于 100ns 穩(wěn)定時間），測量功率器件在導通過程中的導通電阻變化趨勢，以此了解功率器件的老化過程。
以量芯微 650V GaN HEMT 器件為例進行 HTOL 測試。測試中，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，測量功率器件在開關過程中的導通電阻變化趨勢。通過控制功率器件開關的先后順序，實現(xiàn)無電阻負載的連續(xù)硬開關電路。測試結(jié)果顯示，在 61 小時的測試過程中，GaN 器件與 CREE 公司的 SiC MOSFET 的動態(tài)導通電阻基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯抬升。進一步提高測試電壓至 520V 后，經(jīng)過 245 小時的測試，動態(tài)導通電阻出現(xiàn)緩慢上升，但整體仍保持在合理范圍內(nèi)。通過線性擬合，可預測器件在特定條件下的連續(xù)工作壽命。
下圖為使用泰克 MSO58B 系列示波器測試動態(tài)導通電阻波形，我們通過導通電壓與導通電流相除，得到特定位置的動態(tài)導通電阻阻值。經(jīng)過長時間測試后，可以看到動態(tài)導通電阻的相對漂移情況。
在測試過程中，功率器件連續(xù)硬開關會產(chǎn)生開關功率損耗導致自身發(fā)熱，為了避免發(fā)熱導致的結(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試的方式，監(jiān)控器件殼溫，并通過風扇散熱建立控溫閉環(huán)回路，確保長時間工作時功率器件的結(jié)溫穩(wěn)定。
次測試中，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 進行對比測試，測試條件一致，均為器件殼溫 80℃，開關頻率 100KHz，工作電流 15A，工作電壓 400V。在 61 小時的測試過程中，我們比對兩種不同類型器件的動態(tài)導通電阻變化曲線。
從圖中可以看出，縱軸為導通電阻，單位是毫歐。其中藍色曲線為 CREE SiC 器件動態(tài)導通電阻測試結(jié)果，約為 110 毫歐；紅色曲線為 GaN 器件動態(tài)導通電阻測試結(jié)果，約為 54 毫歐，曲線前面的脈沖尖峰是測試過程中調(diào)整測試參數(shù)導致的。在同樣時間段內(nèi)，兩顆器件的動態(tài)導通電阻基本保持穩(wěn)定，測試過程中均未出現(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，降低了測試成本。
為了進一步提高老化速度，看到更加明顯的老化效果，第二次測試中我們選擇工作電壓作為老化加速因子，將測試電壓從 400V 提高至 520V，其他測試條件不變，再次進行測試。HTOL 總運行時間增加為 245 小時，共記錄 29100 個動態(tài)導通電阻測試結(jié)果，每個測試結(jié)果的時間間隔為 30s。
上圖顯示了在大約 10 天的連續(xù)測試中，縱軸數(shù)據(jù)為動態(tài)導通電阻測試結(jié)果，橫軸為測試樣點序號，被測功率器件的動態(tài)導通電阻變化曲線如圖中所示。由于測試環(huán)境中晝夜溫度的變化對測試電路的影響，導致測試結(jié)果中出現(xiàn)周期性的起伏波動，但從長期趨勢可以看出動態(tài)導通電阻在緩慢上升。與下圖同期北京天氣數(shù)據(jù)對比，可以看到起伏規(guī)律基本相同，可以確認環(huán)境溫度對測試結(jié)果會產(chǎn)生一定影響。
通過對測試結(jié)果的數(shù)據(jù)進行線性擬合，可以得到動態(tài)導通電阻上升的斜率約為 6.93 * E - 5。假設功率器件動態(tài)導通電阻上升 30% 時，器件壽命達到極限。那么按照 520V，15A，器件殼溫 80℃，50% 占空比的測試條件下，器件連續(xù)工作壽命可以達到 1724 小時?？紤]到該器件的實際工作電壓為 400V，在正常工況下的連續(xù)工作時間會遠長于這個數(shù)值。
通過實際測試數(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 器件基本達到了同樣的品質(zhì)水平。當工作電壓提升至 520V 時，雖然導通電阻出現(xiàn)緩慢提升，但仍可以保持較長的工作壽命。通過類似 HTOL 老化測試方法，可以幫助我們在較短的時間內(nèi)了解新型功率器件的老化過程和性能退化情況，有助于研發(fā)和設計工程師快速改進設計，提升產(chǎn)品性能。
