來(lái)源：Sandeep Bahl, TI技術(shù)專(zhuān)家
氮化鎵(GaN)場(chǎng)效應晶體管(FET)正迅速獲得采用，因為它能夠提高效率并縮小電源供應器尺寸。不過(guò)，在投資這個(gè)技術(shù)之前，您可能仍會(huì )問(wèn)自己GaN是否可靠。但令我震驚的是，沒(méi)有人問(wèn)硅(Si)是否可靠。其實(shí)仍然有新的硅產(chǎn)品持續上市，電源設計人員也同樣關(guān)注硅功率組件的可靠性。
實(shí)際情況是，GaN產(chǎn)業(yè)已在可靠性方面投入大量心力和時(shí)間。對于硅，可靠性問(wèn)題的說(shuō)法不同——“這是否已經(jīng)通過(guò)認證？”雖然 GaN組件通過(guò)硅認證，不過(guò)電源制造商并不相信硅的認證方法同樣能確保GaN FET可靠。這確實(shí)是正確的觀(guān)點(diǎn)，因為并非所有硅組件測試都適用于GaN，而且傳統的硅認證本身不包括針對實(shí)際電源使用情況轉換的壓力測試。JEDEC JC-70寬能隙(WBG)電力電子轉換半導體委員會(huì )已經(jīng)發(fā)布GaN特定的準則，藉以解決這些缺陷。如何驗證GaN的可靠性？透過(guò)既有的硅方法以及解決GaN特定故障模式的可靠性程序和測試方法，有助于進(jìn)行GaN FET的可靠性驗證。例如動(dòng)態(tài)汲極源極導通電阻(RDS(ON))的增加。圖1列出制作可靠GaN產(chǎn)品的步驟。
圖1：結合既有硅標準的GaN特定可靠性準則。
我們將測試分為組件級和電源級模塊，每個(gè)模塊都有相關(guān)的標準和準則。在組件級，根據傳統的硅標準進(jìn)行偏置、溫度和濕度應力測試，并使用GaN特定測試方法，然后透過(guò)施加加速應力直到裝置失效來(lái)確定使用壽命。在電源供應級，組件在相關(guān)應用的嚴格操作條件下運作。此外，也驗證發(fā)生偶發(fā)事件時(shí)在極端運作條件下的耐受度。GaN FET在應用中的可靠性JEDEC JEP180準則提供確保GaN產(chǎn)品在功率轉換應用中達到可靠性的通用方法。為了滿(mǎn)足JEP180，GaN制造商必須證明產(chǎn)品達到相關(guān)應力所需的切換使用壽命，并在電源供應的嚴格運作條件下可靠運作。前一項展示使用切換加速使用壽命測試(SALT)對裝置進(jìn)行壓力測試，后一項使用動(dòng)態(tài)高溫運作使用壽命(DHTOL)測試。組件也受到實(shí)際情況的極端操作情況所影響，例如短路和電源線(xiàn)突波等事件。諸如LMG3522R030-Q1等TI GaN組件具備內建的短路保護功能。一系列應用中的突波耐受度需要同時(shí)考慮硬切換和軟切換應力。GaN FET處理電源線(xiàn)突波的方式與硅FET不同。由于GaN FET具備過(guò)電壓能力，因此不會(huì )進(jìn)入突崩潰(avalanche breakdown)，而是透過(guò)突波沖擊進(jìn)行切換。過(guò)電壓能力也可以提高系統可靠性，因為突崩潰FET無(wú)法吸收大量突崩潰能量，因此保護電路必須吸收大部份突波。突波吸收組件隨著(zhù)老化而劣化，硅FET會(huì )因此遭受較高程度的突崩潰，這可能會(huì )導致故障。相反地，GaN FET仍然能夠持續切換。驗證GaN產(chǎn)品是否可靠？根據圖1所示的方法，以TI GaN產(chǎn)品為例進(jìn)行認證。圖2匯整組件級和電源供應級模塊的全部結果。
圖2：GaN FET的可靠性由GaN特定準則使用圖1所示的方法進(jìn)行驗證。
在組件級，TI GaN通過(guò)傳統的硅認證，而且對于GaN特定的故障機制達到高可靠性。TI設計并驗證經(jīng)時(shí)擊穿(TDB)、電荷擷取和熱電子磨損失效機制的高可靠性，并證明動(dòng)態(tài)RDS(ON)在老化時(shí)保持穩定。為了確定組件切換使用壽命， SALT驗證運用加速硬切換應力。TI模型使用切換波形直接計算切換使用壽命，并顯示該GaN FET在整個(gè)產(chǎn)品使用壽命期間不會(huì )因為硬切換應力而失效。為了驗證電源級的可靠性，在嚴格的電源使用條件下對64個(gè)GaN組件進(jìn)行DHTOL測試。裝置展現穩定的效率，沒(méi)有硬故障，顯示所有電源操作模式的可靠操作：硬切換和軟切換、第三象限操作、硬換向(反向復原)、具有高轉換率的米勒擊穿，以及與驅動(dòng)器和其他系統組件之間的可靠互動(dòng)。此外，透過(guò)在硬切換和軟切換操作下對電源中運作的組件施加突波沖擊來(lái)驗證突波耐受度，最終顯示這些GaN FET可以透過(guò)高達720V的總線(xiàn)電壓突波進(jìn)行有效切換，因而提供顯著(zhù)的容限。結論GaN產(chǎn)業(yè)已經(jīng)建立一套方法來(lái)保證GaN產(chǎn)品的可靠性，因此問(wèn)題并不在于“GaN是否可靠？”，而是“如何驗證GaN的可靠性？”透過(guò)組件級和電源級進(jìn)行驗證，當這些裝置通過(guò)硅認證標準和GaN產(chǎn)業(yè)準則，尤其是通過(guò)JEP180，才足以證明GaN產(chǎn)品在電源供使用方面極其可靠。
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