GaN是否可靠?

作者 : Sandeep Bahl, TI技術專家

GaN產業已經建立一套方法來保證GaN產品的可靠性,因此問題並不在於「GaN是否可靠?」,而是「如何驗證GaN的可靠性?」

氮化鎵(GaN)場效應電晶體(FET)正迅速獲得採用,因為它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。但令我震驚的是,沒有人問矽(Si)是否可靠。其實仍然有新的矽產品持續上市,電源設計人員也同樣關注矽功率元件的可靠性。

實際情況是,GaN產業已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元件通過矽認證,不過電源製造商並不相信矽的認證方法同樣能確保GaN FET可靠。這確實是正確的觀點,因為並非所有矽元件測試都適用於GaN,而且傳統的矽認證本身不包括針對實際電源使用情況轉換的壓力測試。JEDEC JC-70寬能隙(WBG)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。

如何驗證GaN的可靠性?

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,有助於進行GaN FET的可靠性驗證。例如動態汲極源極導通電阻(RDS(ON))的增加。1列出製作可靠GaN產品的步驟。

圖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,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,元件在相關應用的嚴格操作條件下運作。此外,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準則提供確保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。

元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元件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(avalanche breakdown),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份突波。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。相反地,GaN FET仍然能夠持續切換。

驗證GaN產品是否可靠?

根據1所示的方法,以TI GaN產品為例進行認證。2匯整元件級和電源供應級模組的全部結果。

圖2:GaN 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)、電荷擷取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, SALT驗證運用加速硬切換應力。TI模型使用切換波形直接計算切換使用壽命,並顯示該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,在嚴格的電源使用條件下對64個GaN元件進行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。

此外,透過在硬切換和軟切換操作下對電源中運作的元件施加突波衝擊來驗證突波耐受度,最終顯示這些GaN FET可以透過高達720V的匯流排電壓突波進行有效切換,因而提供顯著的容限。

結論

GaN產業已經建立一套方法來保證GaN產品的可靠性,因此問題並不在於「GaN是否可靠?」,而是「如何驗證GaN的可靠性?」透過元件級和電源級進行驗證,當這些裝置通過矽認證標準和GaN產業準則,尤其是通過JEP180,才足以證明GaN產品在電源供使用方面極其可靠。

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