【導讀】鑒于氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)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(huì )好奇GaN是否具有可靠性。令我驚訝的是，沒(méi)有人詢(xún)問(wèn)硅是否具有可靠性。畢竟仍然有新的硅產(chǎn)品不斷問(wèn)世，電源設計人員對硅功率器件的可靠性也很關(guān)心。
事實(shí)上，GaN行業(yè)已經(jīng)在可靠性方面投入了大量精力和時(shí)間。
而人們對于硅可靠性方面的問(wèn)題措辭則不同，比如“這是否通過(guò)了鑒定？”盡管GaN器件也通過(guò)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(gè)合理的觀(guān)點(diǎn)，因為并非所有的硅器件測試都適用于GaN，而且傳統的硅鑒定本身不包括針對電源使用的實(shí)際開(kāi)關(guān)條件的應力測試。JEDECJC-70寬帶隙電力電子轉換半導體委員會(huì )發(fā)布了若干特定于GaN的指南，以解決此類(lèi)不足之處。
了解 GaN 產(chǎn)品的可靠性
閱讀技術(shù)白皮書(shū)“實(shí)現GaN產(chǎn)品的壽命可靠性”以了解有關(guān)我們GaN可靠性測試的更多信息。
如何驗證 GaN 的可靠性？
可通過(guò)既定的硅方法并結合可靠性程序和測試方法對GaN FET的可靠性進(jìn)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(dòng)態(tài)漏源導通電阻 (RDS(ON)) 的增加。圖1列出了實(shí)現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合
我們將測試分為元件級和電源級模塊，每個(gè)模塊都有相關(guān)的標準和指南。在元件級別，TI根據傳統的硅標準進(jìn)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(guò)施加加速應力直至器件失效的方式來(lái)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(lái)確保GaN產(chǎn)品在功率轉換應用中的可靠性。為了滿(mǎn)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(kāi)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(gè)演示使用開(kāi)關(guān)加速壽命測試 (SALT) 對器件進(jìn)行應力測試，而后者則使用動(dòng)態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 測試。
器件在實(shí)際中也會(huì )受到極端運行條件的影響，如發(fā)生短路和電源線(xiàn)路浪涌等事件。LMG3522R030-Q1等TI GaN產(chǎn)品具有內置短路保護功能。要實(shí)現一系列應用中的浪涌穩健性，需要同時(shí)考慮硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)應力。GaN FET處理電源線(xiàn)路浪涌的方式與硅 FET不同。由于其過(guò)壓能力，GaN FET不會(huì )進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，而是通過(guò)浪涌沖擊進(jìn)行開(kāi)關(guān)。具備過(guò)壓能力還可以提高系統可靠性，因為雪崩FET無(wú)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(zhù)老化，浪涌吸收元件性能下降，會(huì )使硅FET遭受更高水平的雪崩，可能會(huì )導致故障。與此相反，GaN FET將繼續開(kāi)關(guān)。
TI的GaN產(chǎn)品是否具有可靠性？
TI根據圖1所示的方法對其GaN產(chǎn)品進(jìn)行鑒定。圖2總結了結果，展示了來(lái)自元件級和電源級模塊的結果。
圖 2 ：使用圖1所示的方法，通過(guò)特定于GaN的指南對GaN FET的可靠性進(jìn)行了驗證。
在元件級別，TI GaN通過(guò)了傳統的硅鑒定，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(shí)間依賴(lài)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(guò)程中，動(dòng)態(tài)RDS(ON)可保持穩定。
為了確定元件開(kāi)關(guān)壽命，我們的SALT驗證應用了加速硬開(kāi)關(guān)應力，如“確定GaN FET開(kāi)關(guān)壽命的通用方法”中所述TI模型使用開(kāi)關(guān)波形直接計算開(kāi)關(guān)壽命，并表明TI的GaN FET在整個(gè)產(chǎn)品壽命期間不會(huì )因硬開(kāi)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(gè)TI GaN器件進(jìn)行了DHTOL測試。此類(lèi)器件顯示出穩定的效率，沒(méi)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(kāi)關(guān)、第三象限操作、硬換向（反向恢復）、高壓擺率的米勒擊穿，以及與驅動(dòng)器和其他系統元件的可靠交互。TI還通過(guò)在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)操作下對電源中運行的器件施加浪涌沖擊來(lái)驗證浪涌穩健性，并表明TI的GaN FET可以有效地通過(guò)高達720V的總線(xiàn)電壓浪涌進(jìn)行開(kāi)關(guān)，從而提供了顯著(zhù)裕度。如需了解有關(guān)該測試的更多信息，請參閱“一種在使用條件下驗證GaN FET在電源線(xiàn)路浪涌中可靠性的新方法”。
結語(yǔ)
GaN行業(yè)已經(jīng)建立了一套方法來(lái)確保GaN產(chǎn)品的可靠性，因此問(wèn)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(shí)際應用中均具有可靠性，GaN器件已經(jīng)通過(guò)了硅鑒定標準和GaN行業(yè)指南。特別是TI的GaN產(chǎn)品通過(guò)了JEP180，證明其在電源使用方面具有可靠性。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
高效的電動(dòng)車(chē)牽引逆變器設計，你需要一顆高性能智能柵極驅動(dòng)器！
