作者:德州儀器Sandeep Bahl

氮化鎵 (GaN) 場效應電晶體 (FET) 正在迅速獲得採用,因為這能夠提高效率並縮小電源供應器尺寸。不過,在投資這個技術之前,您可能仍會問自己 GaN 是否可靠。令我震驚的是,沒有人問矽是否可靠。其實仍然有新的矽產品持續上市,電源設計人員也很關心矽功率裝置的可靠性。

實際情況是,GaN 產業在可靠性方面投入大量心力和時間。

對於矽,可靠性問題的說法不同 –「這是否已經通過認證?」雖然 GaN 零件通過矽認證,不過電源製造商並不相信矽方法可以保證 GaN FET 可靠。這確實是有效的觀點,因為並非所有矽裝置測試都適用於GaN,而且傳統的矽認證本身不包括針對電源使用的實際切換條件進行的壓力測試。  JEDEC JC-70 寬頻隙電力電子轉換半導體委員會已經發佈 GaN 特定的準則,藉以解決這些缺陷。

 

 


瞭解 GaN 產品的可靠性

參閱技術白皮書「推出達到使用壽命可靠性的 GaN 產品」深入瞭解我們的 GaN 可靠性測試。 

如何驗證 GaN 的可靠性?

GaN FET 的可靠性是透過既有的矽方法以及解決 GaN 特定故障模式的可靠性程序和測試方法進行驗證,例如動態汲極源極導通電阻 (RDS(ON)) 的增加。圖 1 列出製作可靠 GaN 產品的步驟。

1  結合既有矽標準的 GaN 特定可靠性準則

我們將測試分為元件級和電源級模組,每個模組都有相關的標準和準則。在元件級,TI 根據傳統的矽標準進行偏置、溫度和濕度應力測試,並使用 GaN 特定的測試方法,然後透過施加加速應力直到裝置失效來確定使用壽命。在電源供應級別,零件在相關應用的嚴格操作條件下運作。TI 也驗證發生偶發事件時在極端運作條件下的耐受度。

GaN FET 在應用中的可靠性

JEDEC JEP180 準則提供保證 GaN 產品在功率轉換應用中達到可靠性的通用方法。為了滿足 JEP180,GaN 製造商必須證明本身的產品達到相關應力所需的切換使用壽命,並在電源供應的嚴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) 對裝置進行壓力測試,後一項使用動態高溫運作使用壽命 (DHTOL) 測試。

裝置也受到實際情況的極端操作條件所影響 – 例如短路和電源線突波等事件。LMG3522R030-Q1之類的 TI GaN 產品具備內建的短路保護功能。一系列應用中的突波耐受度需要同時考量硬切換和軟切換應力。GaN FET 處理電源線突波的方式與矽 FET 不同。由於 GaN FET 具備過電壓能力,因此不會進入突崩潰,而是透過突波衝擊進行切換。  過電壓能力也可以提高系統可靠性,因為突崩潰 FET 無法吸收大量突崩潰能量,因此保護電路必須吸收大部分突波。突波吸收元件隨著老化而劣化,矽 FET 會因此遭受較高程度的突崩潰,這可能會導致故障。相反的,GaN FET 仍然能夠持續切換。

TI GaN 產品是否可靠?

TI 根據圖 1 所示的方法對本身的 GaN 產品進行認證。圖 2 彙總元件級和電源供應級模組的全部結果。

2GaN FET 的可靠性由 GaN 特定準則使用圖 1 所示的方法進行驗證。

在元件級,TI GaN 通過傳統的矽認證,而且對於 GaN 特定的故障機制達到高可靠性。TI 設計並驗證經時擊穿 (TDB)、電荷捕捉和熱電子磨損失效機制的高可靠性,並證明動態 RDS(ON) 在老化時保持穩定。

 為了確定元件切換使用壽命,我們的 SALT 驗證運用加速硬切換應力,如「確定 GaN FET 切換使用壽命的通用方法」中所述。TI 模型使用切換波形直接計算切換使用壽命,並顯示 TI GaN FET 在整個產品使用壽命期間不會因為硬切換應力而失效。

 為了驗證電源級的可靠性,我們在嚴格的電源使用條件下對 64 個 TI GaN 零件進行 DHTOL 測試。裝置展現穩定的效率,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 (反向復原)、具有高轉換率的米勒擊穿,以及與驅動器和其他系統元件之間的可靠互動。TI 也透過在硬切換和軟切換操作下對電源中運作的裝置施加突波衝擊來驗證突波耐受度,最終顯示 TI GaN FET 可以透過高達 720 V 的匯流排電壓突波進行有效切換,因而提供顯著的容限。參閱「驗證 GaN FET 在使用條件下對電源線突波展現可靠性的新方法」深入瞭解這項測試。

 結論

GaN 產業已經建立一套方法來保證 GaN 產品的可靠性,因此問題不是「GaN 是否可靠?」,而是「如何驗證 GaN 的可靠性?」TI GaN 裝置在元件級和實際應用中均極為可靠。這些裝置已經通過矽認證標準和 GaN 產業準則。尤其是,TI GaN 產品通過 JEP180,證明這些產品在電源供應使用方面相當可靠。

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