GaN FET在應用中的可靠性

鑒于氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET) 能夠提高效率并縮小電源尺寸，其采用率正在迅速提高。但在投資這項技術(shù)之前，您可能仍然會好奇GaN 是否具有可靠性。令我驚訝的是，沒有人詢問硅是否具有可靠性。畢竟仍然有新的硅產(chǎn)品不斷問世，電源設計人員對硅功率器件的可靠性也很關(guān)心。

事實上，GaN 行業(yè)已經(jīng)在可靠性方面投入了大量精力和時間。

而人們對于硅可靠性方面的問題措辭則不同，比如“這是否通過了鑒定？”盡管 GaN 器件也通過了硅鑒定，但電源制造商仍不相信采用硅方法可以確保 GaN FET 的可靠性。這是一個合理的觀點，因為并非所有的硅器件測試都適用于 GaN，而且傳統(tǒng)的硅鑒定本身不包括針對電源使用的實際開關(guān)條件的應力測試。JEDEC JC-70 寬帶隙電力電子轉(zhuǎn)換半導體委員會發(fā)布了若干特定于 GaN 的指南，以解決此類不足之處。

如何驗證 GaN 的可靠性？

可通過既定的硅方法并結(jié)合可靠性程序和測試方法對 GaN FET 的可靠性進行驗證。這些可靠性程序和測試方法旨在解決特定于 GaN 的故障模式，例如動態(tài)漏源導通電阻 (RDS(ON)) 的增加。圖 1 列出了實現(xiàn) GaN 產(chǎn)品可靠性的步驟。

圖 1：特定于 GaN 的可靠性指南

與既定的硅標準相結(jié)合

我們將測試分為元件級和電源級模塊，每個模塊都有相關(guān)的標準和指南。在元件級別，TI 根據(jù)傳統(tǒng)的硅標準進行偏置、溫度和濕度應力測試，使用特定于 GaN 的測試方法，并通過施加加速應力直至器件失效的方式來確定壽命。在電源層面，在相關(guān)應用的嚴格運行條件下運行器件。TI 還驗證了器件在偶發(fā)事件中的極端運行條件下的穩(wěn)健性。

GaN FET 在應用中的可靠性

JEDEC JEP180 指南提供了一種通用方法來確保 GaN 產(chǎn)品在功率轉(zhuǎn)換應用中的可靠性。為了滿足 JEP180 的要求，GaN 制造商必須證明其產(chǎn)品在相關(guān)應力下具有所需的開關(guān)壽命，并在電源的嚴格運行條件下以可靠的方式運行。前一個演示使用開關(guān)加速壽命測試 (SALT) 對器件進行應力測試，而后者則使用動態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 測試。

器件在實際中也會受到極端運行條件的影響，如發(fā)生短路和電源線路浪涌等事件。LMG3522R030-Q1 等 TI GaN 產(chǎn)品具有內(nèi)置短路保護功能。要實現(xiàn)一系列應用中的浪涌穩(wěn)健性，需要同時考慮硬開關(guān)和軟開關(guān)應力。GaN FET 處理電源線路浪涌的方式與硅 FET 不同。由于其過壓能力，GaN FET 不會進入雪崩擊穿狀態(tài)，而是通過浪涌沖擊進行開關(guān)。具備過壓能力還可以提高系統(tǒng)可靠性，因為雪崩 FET 無法吸收大量雪崩能量，因此保護電路必須吸收大部分浪涌。隨著老化，浪涌吸收元件性能下降，會使硅FET遭受更高水平的雪崩，可能會導致故障。與此相反，GaN FET 將繼續(xù)開關(guān)。

TI 的 GaN 產(chǎn)品是否具有可靠性？

TI 根據(jù)圖 1 所示的方法對其 GaN 產(chǎn)品進行鑒定。圖 2 總結(jié)了結(jié)果，展示了來自元件級和電源級模塊的結(jié)果。

圖 2：使用圖 1 所示的方法，通過特定于 GaN 的指南對 GaN FET 的可靠性進行了驗證。

在元件級別，TI GaN 通過了傳統(tǒng)的硅鑒定，并針對特定于 GaN 的故障機制具有高可靠性。TI 設計并驗證了其 GaN 產(chǎn)品針對時間依賴型擊穿 (TDB)、電荷捕獲和熱電子損耗故障機制具備高可靠性，并證明在老化過程中，動態(tài) RDS(ON) 可保持穩(wěn)定。

為了確定元件開關(guān)壽命，我們的 SALT 驗證應用了加速硬開關(guān)應力，如“確定 GaN FET 開關(guān)壽命的通用方法”中所述 TI 模型使用開關(guān)波形直接計算開關(guān)壽命，并表明 TI 的 GaN FET 在整個產(chǎn)品壽命期間不會因硬開關(guān)應力而失效。

為了驗證電源級別的可靠性，我們在嚴格的電源使用條件下對 64 個 TI GaN 器件進行了 DHTOL 測試。此類器件顯示出穩(wěn)定的效率，沒有硬故障，顯示了對所有電源運行模式的可靠運行能力：硬和軟開關(guān)、第三象限操作、硬換向（反向恢復）、高壓擺率的米勒擊穿，以及與驅(qū)動器和其他系統(tǒng)元件的可靠交互。TI 還通過在硬開關(guān)和軟開關(guān)操作下對電源中運行的器件施加浪涌沖擊來驗證浪涌穩(wěn)健性，并表明 TI 的 GaN FET 可以有效地通過高達 720V 的總線電壓浪涌進行開關(guān)，從而提供了顯著裕度。

結(jié)語

GaN 行業(yè)已經(jīng)建立了一套方法來確保 GaN 產(chǎn)品的可靠性，因此問題不是“GaN 是否具有可靠性？”，而是“如何驗證 GaN 的可靠性”。TI GaN 器件在元件級和實際應用中均具有可靠性，GaN 器件已經(jīng)通過了硅鑒定標準和 GaN 行業(yè)指南。特別是 TI 的 GaN 產(chǎn)品通過了 JEP180，證明其在電源使用方面具有可靠性。

　　審核編輯：湯梓紅