作者：Sandeep Bahl, TI技術(shù)專家

氮化鎵(GaN)場效應(yīng)晶體管(FET)正迅速獲得采用，因?yàn)樗軌蛱岣咝什⒖s小電源供應(yīng)器尺寸。不過，在投資這個(gè)技術(shù)之前，您可能仍會(huì)問自己GaN是否可靠。但令我震驚的是，沒有人問硅(Si)是否可靠。其實(shí)仍然有新的硅產(chǎn)品持續(xù)上市，電源設(shè)計(jì)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，可靠性問題的說法不同——“這是否已經(jīng)通過認(rèn)證？”雖然 GaN組件通過硅認(rèn)證，不過電源制造商并不相信硅的認(rèn)證方法同樣能確保GaN FET可靠。這確實(shí)是正確的觀點(diǎn)，因?yàn)椴⒎撬泄杞M件測試都適用于GaN，而且傳統(tǒng)的硅認(rèn)證本身不包括針對實(shí)際電源使用情況轉(zhuǎn)換的壓力測試。JEDEC JC-70寬能隙(WBG)電力電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體委員會(huì)已經(jīng)發(fā)布GaN特定的準(zhǔn)則，藉以解決這些缺陷。

如何驗(yàn)證GaN的可靠性？

透過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(yàn)證。例如動(dòng)態(tài)汲極源極導(dǎo)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(jié)合既有硅標(biāo)準(zhǔn)的GaN特定可靠性準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。在組件級，根據(jù)傳統(tǒng)的硅標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行偏置、溫度和濕度應(yīng)力測試，并使用GaN特定測試方法，然后透過施加加速應(yīng)力直到裝置失效來確定使用壽命。在電源供應(yīng)級，組件在相關(guān)應(yīng)用的嚴(yán)格操作條件下運(yùn)作。此外，也驗(yàn)證發(fā)生偶發(fā)事件時(shí)在極端運(yùn)作條件下的耐受度。

GaN FET在應(yīng)用中的可靠性

JEDEC JEP180準(zhǔn)則提供確保GaN產(chǎn)品在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中達(dá)到可靠性的通用方法。為了滿足JEP180，GaN制造商必須證明產(chǎn)品達(dá)到相關(guān)應(yīng)力所需的切換使用壽命，并在電源供應(yīng)的嚴(yán)格運(yùn)作條件下可靠運(yùn)作。前一項(xiàng)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(xiàng)使用動(dòng)態(tài)高溫運(yùn)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，例如短路和電源線突波等事件。諸如LMG3522R030-Q1等TI GaN組件具備內(nèi)建的短路保護(hù)功能。一系列應(yīng)用中的突波耐受度需要同時(shí)考慮硬切換和軟切換應(yīng)力。GaN FET處理電源線突波的方式與硅FET不同。

由于GaN FET具備過電壓能力，因此不會(huì)進(jìn)入突崩潰(avalanche breakdown)，而是透過突波沖擊進(jìn)行切換。過電壓能力也可以提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)橥槐罎ET無法吸收大量突崩潰能量，因此保護(hù)電路必須吸收大部份突波。突波吸收組件隨著老化而劣化，硅FET會(huì)因此遭受較高程度的突崩潰，這可能會(huì)導(dǎo)致故障。相反地，GaN FET仍然能夠持續(xù)切換。

驗(yàn)證GaN產(chǎn)品是否可靠？

根據(jù)圖1所示的方法，以TI GaN產(chǎn)品為例進(jìn)行認(rèn)證。圖2匯整組件級和電源供應(yīng)級模塊的全部結(jié)果。

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

在組件級，TI GaN通過傳統(tǒng)的硅認(rèn)證，而且對于GaN特定的故障機(jī)制達(dá)到高可靠性。TI設(shè)計(jì)并驗(yàn)證經(jīng)時(shí)擊穿(TDB)、電荷擷取和熱電子磨損失效機(jī)制的高可靠性，并證明動(dòng)態(tài)RDS(ON)在老化時(shí)保持穩(wěn)定。

為了確定組件切換使用壽命， SALT驗(yàn)證運(yùn)用加速硬切換應(yīng)力。TI模型使用切換波形直接計(jì)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?yàn)橛睬袚Q應(yīng)力而失效。

為了驗(yàn)證電源級的可靠性，在嚴(yán)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(xiàn)穩(wěn)定的效率，沒有硬故障，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(fù)原)、具有高轉(zhuǎn)換率的米勒擊穿，以及與驅(qū)動(dòng)器和其他系統(tǒng)組件之間的可靠互動(dòng)。

此外，透過在硬切換和軟切換操作下對電源中運(yùn)作的組件施加突波沖擊來驗(yàn)證突波耐受度，最終顯示這些GaN FET可以透過高達(dá)720V的總線電壓突波進(jìn)行有效切換，因而提供顯著的容限。

結(jié)論
GaN產(chǎn)業(yè)已經(jīng)建立一套方法來保證GaN產(chǎn)品的可靠性，因此問題并不在于“GaN是否可靠？”，而是“如何驗(yàn)證GaN的可靠性？”透過組件級和電源級進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)這些裝置通過硅認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和GaN產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)則，尤其是通過JEP180，才足以證明GaN產(chǎn)品在電源供使用方面極其可靠。