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GaN 是否具有可靠性,如何验证 GaN 的可靠性?

2022/07/18

鉴于氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET) 能够提高效率并缩小电源尺寸,其采用率正在迅速提高。但在投资这项技术之前,您可能仍然会好奇 GaN 是否具有可靠性。令我惊讶的是,没有人询问硅是否具有可靠性。毕竟仍然有新的硅产品不断问世,电源设计人员对硅功率器件的可靠性也很关心。


事实上,GaN 行业已经在可靠性方面投入了大量精力和时间。


而人们对于硅可靠性方面的问题措辞则不同,比如“这是否通过了鉴定?”尽管 GaN 器件也通过了硅鉴定,但电源制造商仍不相信采用硅方法可以确保 GaN FET 的可靠性。这是一个合理的观点,因为并非所有的硅器件测试都适用于 GaN,而且传统的硅鉴定本身不包括针对电源使用的实际开关条件的应力测试。JEDEC JC-70 宽带隙电力电子转换半导体委员会发布了若干特定于 GaN 的指南,以解决此类不足之处。


如何验证 GaN 的可靠性?


可通过既定的硅方法并结合可靠性程序和测试方法对 GaN FET 的可靠性进行验证。这些可靠性程序和测试方法旨在解决特定于 GaN 的故障模式,例如动态漏源导通电阻 (RDS(ON)) 的增加。



与既定的硅标准相结合

我们将测试分为元件级和电源级模块,每个模块都有相关的标准和指南。在元件级别,TI 根据传统的硅标准进行偏置、温度和湿度应力测试,使用特定于 GaN 的测试方法,并通过施加加速应力直至器件失效的方式来确定寿命。在电源层面,在相关应用的严格运行条件下运行器件。TI 还验证了器件在偶发事件中的极端运行条件下的稳健性。


GaN FET 在应用中的可靠性

JEDEC JEP180 指南提供了一种通用方法来确保 GaN 产品在功率转换应用中的可靠性。为了满足 JEP180 的要求,GaN 制造商必须证明其产品在相关应力下具有所需的开关寿命,并在电源的严格运行条件下以可靠的方式运行。前一个演示使用开关加速寿命测试 (SALT) 对器件进行应力测试,而后者则使用动态高温工作寿命 (DHTOL) 测试。


器件在实际中也会受到极端运行条件的影响,如发生短路和电源线路浪涌等事件。LMG3522R030-Q1 等 TI GaN 产品具有内置短路保护功能。要实现一系列应用中的浪涌稳健性,需要同时考虑硬开关和软开关应力。GaN FET 处理电源线路浪涌的方式与硅 FET 不同。由于其过压能力,GaN FET 不会进入雪崩击穿状态,而是通过浪涌冲击进行开关。具备过压能力还可以提高系统可靠性,因为雪崩 FET 无法吸收大量雪崩能量,因此保护电路必须吸收大部分浪涌。随着老化,浪涌吸收元件性能下降,会使硅FET遭受更高水平的雪崩,可能会导致故障。与此相反,GaN FET 将继续开关。

TI 的 GaN 产品是否具有可靠性?


TI 根据图 1 所示的方法对其 GaN 产品进行鉴定。图 2 总结了结果,展示了来自元件级和电源级模块的结果。


在元件级别,TI GaN 通过了传统的硅鉴定,并针对特定于 GaN 的故障机制具有高可靠性。TI 设计并验证了其 GaN 产品针对时间依赖型击穿 (TDB)、电荷捕获和热电子损耗故障机制具备高可靠性,并证明在老化过程中,动态 RDS(ON) 可保持稳定。


为了确定元件开关寿命,我们的 SALT 验证应用了加速硬开关应力,如“确定 GaN FET 开关寿命的通用方法”中所述 TI 模型使用开关波形直接计算开关寿命,并表明 TI 的 GaN FET 在整个产品寿命期间不会因硬开关应力而失效。


为了验证电源级别的可靠性,我们在严格的电源使用条件下对 64 个 TI GaN 器件进行了 DHTOL 测试。此类器件显示出稳定的效率,没有硬故障,显示了对所有电源运行模式的可靠运行能力:硬和软开关、第三象限操作、硬换向(反向恢复)、高压摆率的米勒击穿,以及与驱动器和其他系统元件的可靠交互。TI 还通过在硬开关和软开关操作下对电源中运行的器件施加浪涌冲击来验证浪涌稳健性,并表明 TI 的 GaN FET 可以有效地通过高达 720V 的总线电压浪涌进行开关,从而提供了显著裕度。


结语


GaN 行业已经建立了一套方法来确保 GaN 产品的可靠性,因此问题不是“GaN 是否具有可靠性?”,而是“如何验证 GaN 的可靠性”。TI GaN 器件在元件级和实际应用中均具有可靠性,GaN 器件已经通过了硅鉴定标准和 GaN 行业指南。特别是 TI 的 GaN 产品通过了 JEP180,证明其在电源使用方面具有可靠性。

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