GaN是否具有可靠性？或者說我們能否如此提問？

鑒于氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET) 能夠提高效率并縮小電源尺寸，其采用率正在迅速提高。但在投資這項技術之前，您可能仍然會好奇GaN是否具有可靠性。令我驚訝的是，沒有人詢問硅是否具有可靠性。畢竟仍然有新的硅產(chǎn)品不斷問世，電源設計人員對硅功率器件的可靠性也很關心。

事實上，GaN行業(yè)已經(jīng)在可靠性方面投入了大量精力和時間。

而人們對于硅可靠性方面的問題措辭則不同，比如“這是否通過了鑒定？”盡管GaN器件也通過了硅鑒定，但電源制造商仍不相信采用硅方法可以確保GaN FET的可靠性。這是一個合理的觀點，因為并非所有的硅器件測試都適用于GaN，而且傳統(tǒng)的硅鑒定本身不包括針對電源使用的實際開關條件的應力測試。JEDEC JC-70寬帶隙電力電子轉(zhuǎn)換半導體委員會發(fā)布了若干特定于GaN的指南，以解決此類不足之處。

了解 GaN 產(chǎn)品的可靠性

如何驗證 GaN 的可靠性？

可通過既定的硅方法并結(jié)合可靠性程序和測試方法對GaN FET的可靠性進行驗證。這些可靠性程序和測試方法旨在解決特定于GaN的故障模式，例如動態(tài)漏源導通電阻 (R_DS(ON)) 的增加。圖1列出了實現(xiàn)GaN產(chǎn)品可靠性的步驟。

圖 1 ：特定于GaN的可靠性指南與既定的硅標準相結(jié)合

我們將測試分為元件級和電源級模塊，每個模塊都有相關的標準和指南。在元件級別，TI根據(jù)傳統(tǒng)的硅標準進行偏置、溫度和濕度應力測試，使用特定于GaN的測試方法，并通過施加加速應力直至器件失效的方式來確定壽命。在電源層面，在相關應用的嚴格運行條件下運行器件。TI還驗證了器件在偶發(fā)事件中的極端運行條件下的穩(wěn)健性。

GaN FET在應用中的可靠性

JEDEC JEP180指南提供了一種通用方法來確保GaN產(chǎn)品在功率轉(zhuǎn)換應用中的可靠性。為了滿足 JEP180 的要求，GaN制造商必須證明其產(chǎn)品在相關應力下具有所需的開關壽命，并在電源的嚴格運行條件下以可靠的方式運行。前一個演示使用開關加速壽命測試 (SALT) 對器件進行應力測試，而后者則使用動態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 測試。

器件在實際中也會受到極端運行條件的影響，如發(fā)生短路和電源線路浪涌等事件。LMG3522R030-Q1等TI GaN產(chǎn)品具有內(nèi)置短路保護功能。要實現(xiàn)一系列應用中的浪涌穩(wěn)健性，需要同時考慮硬開關和軟開關應力。GaN FET處理電源線路浪涌的方式與硅 FET不同。由于其過壓能力，GaN FET不會進入雪崩擊穿狀態(tài)，而是通過浪涌沖擊進行開關。具備過壓能力還可以提高系統(tǒng)可靠性，因為雪崩FET無法吸收大量雪崩能量，因此保護電路必須吸收大部分浪涌。隨著老化，浪涌吸收元件性能下降，會使硅FET遭受更高水平的雪崩，可能會導致故障。與此相反，GaN FET將繼續(xù)開關。

TI的GaN產(chǎn)品是否具有可靠性？

TI根據(jù)圖1所示的方法對其GaN產(chǎn)品進行鑒定。圖2總結(jié)了結(jié)果，展示了來自元件級和電源級模塊的結(jié)果。

圖 2 ：使用圖1所示的方法，通過特定于GaN的指南對GaN FET的可靠性進行了驗證

在元件級別，TI GaN通過了傳統(tǒng)的硅鑒定，并針對特定于GaN的故障機制具有高可靠性。TI設計并驗證了其GaN產(chǎn)品針對時間依賴型擊穿 (TDB)、電荷捕獲和熱電子損耗故障機制具備高可靠性，并證明在老化過程中，動態(tài)R_DS(ON)可保持穩(wěn)定。

為了確定元件開關壽命，我們的SALT驗證應用了加速硬開關應力，如“確定GaN FET開關壽命的通用方法”中所述TI模型使用開關波形直接計算開關壽命，并表明TI的GaN FET在整個產(chǎn)品壽命期間不會因硬開關應力而失效。

 為了驗證電源級別的可靠性，我們在嚴格的電源使用條件下對64個TI GaN器件進行了DHTOL測試。此類器件顯示出穩(wěn)定的效率，沒有硬故障，顯示了對所有電源運行模式的可靠運行能力：硬和軟開關、第三象限操作、硬換向（反向恢復）、高壓擺率的米勒擊穿，以及與驅(qū)動器和其他系統(tǒng)元件的可靠交互。TI還通過在硬開關和軟開關操作下對電源中運行的器件施加浪涌沖擊來驗證浪涌穩(wěn)健性，并表明TI的GaN FET可以有效地通過高達720V的總線電壓浪涌進行開關，從而提供了顯著裕度。如需了解有關該測試的更多信息，請參閱“一種在使用條件下驗證GaN FET在電源線路浪涌中可靠性的新方法”。

結(jié)語

GaN行業(yè)已經(jīng)建立了一套方法來確保GaN產(chǎn)品的可靠性，因此問題不是“GaN是否具有可靠性？”，而是“如何驗證GaN的可靠性”。TI GaN器件在元件級和實際應用中均具有可靠性，GaN器件已經(jīng)通過了硅鑒定標準和GaN行業(yè)指南。特別是TI的GaN產(chǎn)品通過了JEP180，證明其在電源使用方面具有可靠性。