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，因為它能夠提高效率并縮小電源供應(yīng)器尺寸。不過，在投資這個技術(shù)之前，您可能仍會問自己GaN是否可靠。但令我震驚的是，沒有人問硅(Si)是否可靠。其實仍然有新的硅產(chǎn)品持續(xù)上市，電源設(shè)計人員也同樣關(guān)注硅功率組件的可靠性。

實際情況是，GaN產(chǎn)業(yè)已在可靠性方面投入大量心力和時間。

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。這確實是正確的觀點，因為并非所有硅組件測試都適用于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)體委員會已經(jīng)發(fā)布GaN特定的準(zhǔn)則，藉以解決這些缺陷。

如何驗證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的可靠性驗證。例如動態(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)格操作條件下運作。此外，也驗證發(fā)生偶發(fā)事件時在極端運作條件下的耐受度。

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，后一項使用動態(tài)高溫運作使用壽命(DHTOL)測試。

組件也受到實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，因為突崩潰FET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會因此遭受較高程度的突崩潰，這可能會導(dǎo)致故障。相反地，GaN FET仍然能夠持續(xù)切換。

驗證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)計并驗證經(jīng)時擊穿(TDB)、電荷擷取和熱電子磨損失效機(jī)制的高可靠性，并證明動態(tài)RDS(ON)在老化時保持穩(wěn)定。

為了確定組件切換使用壽命， SALT驗證運用加速硬切換應(yīng)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在整個產(chǎn)品使用壽命期間不會因為硬切換應(yīng)力而失效。

為了驗證電源級的可靠性，在嚴(yán)格的電源使用條件下對64個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)動器和其他系統(tǒng)組件之間的可靠互動。

此外，透過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驗證突波耐受度，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“如何驗證GaN的可靠性？”透過組件級和電源級進(jìn)行驗證，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。