氮化鎵 (GaN) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 的采用正在迅速增加，因?yàn)樗軌蛱岣咝什⒖s小電源尺寸。但在投資該技術(shù)之前，我們可能仍會(huì)問自己 GaN 是否可靠。令我震驚的是，沒有人問硅是否可靠。畢竟還是有新的硅產(chǎn)品一直在問世，電源設(shè)計(jì)人員也很關(guān)心硅功率器件的可靠性。

事實(shí)是，GaN 行業(yè)在可靠性方面投入了大量精力和時(shí)間。

對于硅，可靠性問題的措辭不同——“它通過了鑒定嗎？” 盡管 GaN 部件也通過了硅認(rèn)證，但電源制造商并不相信硅方法可以確保可靠的 GaN FET。這是一個(gè)有效的觀點(diǎn)，因?yàn)椴⒎撬泄杵骷y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(shí)際開關(guān)條件的壓力測試。JEDEC JC-70 寬帶隙電力電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體委員會(huì)發(fā)布了幾項(xiàng)針對 GaN 的特定指南，以解決這些缺陷。

我們如何驗(yàn)證 GaN 的可靠性？

GaN FET 的可靠性通過既定的硅方法得到驗(yàn)證，并結(jié)合可靠性程序和測試方法，旨在解決 GaN 特定的故障模式，例如動(dòng)態(tài)漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 的增加。圖 1 列出了實(shí)現(xiàn)可靠 GaN 產(chǎn)品的步驟。

圖 1：結(jié)合既定硅標(biāo)準(zhǔn)的 GaN 特定可靠性指南

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(biāo)準(zhǔn)和指南。在組件級別，TI 根據(jù)傳統(tǒng)的硅標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行偏置、溫度和濕度應(yīng)力測試，使用 GaN 特定的測試方法，并通過施加加速應(yīng)力直到器件失效來確定壽命。在電源級別，部件在相關(guān)應(yīng)用的嚴(yán)格操作條件下運(yùn)行。TI 還驗(yàn)證了偶發(fā)事件在極端工作條件下的穩(wěn)健性。

GaN FET 在我們的應(yīng)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(yīng)用中的可靠性。為了滿足 JEP180，GaN 制造商必須證明其產(chǎn)品具有相關(guān)應(yīng)力所需的開關(guān)壽命，并在電源的嚴(yán)格工作條件下可靠運(yùn)行。前一個(gè)演示使用切換加速壽命測試 (SALT) 來對設(shè)備進(jìn)行壓力測試，而后者則使用動(dòng)態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 測試。

設(shè)備還受到現(xiàn)實(shí)世界中極端操作條件的影響——例如短路和電源線浪涌等事件。TI GaN 產(chǎn)品，例如LMG3522R030-Q1有內(nèi)置短路保護(hù)。一系列應(yīng)用中的浪涌魯棒性需要同時(shí)考慮硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)力。GaN FET 處理電源線浪涌的方式與硅 FET 不同。由于其過壓能力，GaN FET 不會(huì)進(jìn)入雪崩擊穿，而是通過浪涌沖擊進(jìn)行切換。過壓能力還可以提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)檠┍?FET 無法吸收大量雪崩能量，因此保護(hù)電路必須吸收大部分浪涌。浪涌吸收元件隨著老化而退化，會(huì)使硅 FET 遭受更高水平的雪崩，這可能會(huì)導(dǎo)致故障。相反，GaN FET 將繼續(xù)開關(guān)。

TI GaN 產(chǎn)品是否可靠？

TI 根據(jù)圖 1 所示的方法對其 GaN 產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。圖 2 總結(jié)了結(jié)果，顯示了組件級和電源級模塊的結(jié)果。

圖 2：GaN FET 的可靠性由 GaN 特定指南使用圖 1 所示的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

在組件級別，TI GaN 通過了傳統(tǒng)的硅認(rèn)證，并且對于 GaN 特定的故障機(jī)制具有高可靠性。TI 設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了時(shí)間相關(guān)擊穿 (TDB)、電荷俘獲和熱電子磨損失效機(jī)制的高可靠性，并證明動(dòng)態(tài) R DS(ON)隨老化保持穩(wěn)定。

為了確定元件開關(guān)壽命，我們的 SALT 驗(yàn)證應(yīng)用了加速硬開關(guān)應(yīng)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(jì)算開關(guān)壽命，并表明 TI GaN FET 在整個(gè)產(chǎn)品壽命期間不會(huì)因硬開關(guān)應(yīng)力而失效。

為了驗(yàn)證電源級別的可靠性，我們在嚴(yán)格的電源使用條件下對 64 個(gè) TI GaN 部件進(jìn)行了 DHTOL 測試。器件顯示出穩(wěn)定的效率，沒有硬故障，表明所有電源操作模式的可靠操作：硬和軟開關(guān)、第三象限操作、硬換向（反向恢復(fù)）、具有高轉(zhuǎn)換率的米勒擊穿和可靠的交互與驅(qū)動(dòng)程序和其他系統(tǒng)組件。TI 還通過在硬開關(guān)和軟開關(guān)操作下對電源中運(yùn)行的器件施加浪涌沖擊來驗(yàn)證浪涌穩(wěn)健性，并表明 TI GaN FET 可以有效地通過高達(dá) 720 V 的總線電壓浪涌進(jìn)行切換，從而提供了顯著的余量。在“一種驗(yàn)證 GaN FET 在使用條件下對電源線浪涌的可靠性的新方法。”

結(jié)論

GaN 行業(yè)已經(jīng)建立了一種方法來確保 GaN 產(chǎn)品的可靠性，因此問題不是“GaN 是否可靠？”，而是“我們如何驗(yàn)證 GaN 的可靠性？” TI GaN 器件在組件級和實(shí)際應(yīng)用中均十分可靠。他們已經(jīng)通過了硅認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和 GaN 行業(yè)指南。特別是，TI GaN 產(chǎn)品通過了 JEP180，證明它們在電源使用方面是可靠的。