GaN是否可靠？

作者：Sandeep Bahl, TI技术专家

氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)正迅速获得采用，因为它能够提高效率并缩小电源供应器尺寸。不过，在投资这个技术之前，您可能仍会问自己GaN是否可靠。但令我震惊的是，没有人问硅(Si)是否可靠。其实仍然有新的硅产品持续上市，电源设计人员也同样关注硅功率组件的可靠性。

实际情况是，GaN产业已在可靠性方面投入大量心力和时间。

对于硅，可靠性问题的说法不同——“这是否已经通过认证？”虽然 GaN组件通过硅认证，不过电源制造商并不相信硅的认证方法同样能确保GaN FET可靠。这确实是正确的观点，因为并非所有硅组件测试都适用于GaN，而且传统的硅认证本身不包括针对实际电源使用情况转换的压力测试。JEDEC JC-70宽能隙(WBG)电力电子转换半导体委员会已经发布GaN特定的准则，藉以解决这些缺陷。

如何验证GaN的可靠性？

透过既有的硅方法以及解决GaN特定故障模式的可靠性程序和测试方法，有助于进行GaN FET的可靠性验证。例如动态汲极源极导通电阻(RDS(ON))的增加。图1列出制作可靠GaN产品的步骤。

图1：结合既有硅标准的GaN特定可靠性准则

我们将测试分为组件级和电源级模块，每个模块都有相关的标准和准则。在组件级，根据传统的硅标准进行偏置、温度和湿度应力测试，并使用GaN特定测试方法，然后透过施加加速应力直到装置失效来确定使用寿命。在电源供应级，组件在相关应用的严格操作条件下运作。此外，也验证发生偶发事件时在极端运作条件下的耐受度。

GaN FET在应用中的可靠性

JEDEC JEP180准则提供确保GaN产品在功率转换应用中达到可靠性的通用方法。为了满足JEP180，GaN制造商必须证明产品达到相关应力所需的切换使用寿命，并在电源供应的严格运作条件下可靠运作。前一项展示使用切换加速使用寿命测试(SALT)对装置进行压力测试，后一项使用动态高温运作使用寿命(DHTOL)测试。

组件也受到实际情况的极端操作情况所影响，例如短路和电源线突波等事件。诸如LMG3522R030-Q1等TI GaN组件具备内建的短路保护功能。一系列应用中的突波耐受度需要同时考虑硬切换和软切换应力。GaN FET处理电源线突波的方式与硅FET不同。

由于GaN FET具备过电压能力，因此不会进入突崩溃(avalanche breakdown)，而是透过突波冲击进行切换。过电压能力也可以提高系统可靠性，因为突崩溃FET无法吸收大量突崩溃能量，因此保护电路必须吸收大部份突波。突波吸收组件随着老化而劣化，硅FET会因此遭受较高程度的突崩溃，这可能会导致故障。相反地，GaN FET仍然能够持续切换。

验证GaN产品是否可靠？

根据图1所示的方法，以TI GaN产品为例进行认证。图2汇整组件级和电源供应级模块的全部结果。

图2：GaN FET的可靠性由GaN特定准则使用图1所示的方法进行验证。

在组件级，TI GaN通过传统的硅认证，而且对于GaN特定的故障机制达到高可靠性。TI设计并验证经时击穿(TDB)、电荷撷取和热电子磨损失效机制的高可靠性，并证明动态RDS(ON)在老化时保持稳定。

为了确定组件切换使用寿命， SALT验证运用加速硬切换应力。TI模型使用切换波形直接计算切换使用寿命，并显示该GaN FET在整个产品使用寿命期间不会因为硬切换应力而失效。

为了验证电源级的可靠性，在严格的电源使用条件下对64个GaN组件进行DHTOL测试。装置展现稳定的效率，没有硬故障，显示所有电源操作模式的可靠操作：硬切换和软切换、第三象限操作、硬换向(反向复原)、具有高转换率的米勒击穿，以及与驱动器和其他系统组件之间的可靠互动。

此外，透过在硬切换和软切换操作下对电源中运作的组件施加突波冲击来验证突波耐受度，最终显示这些GaN FET可以透过高达720V的总线电压突波进行有效切换，因而提供显著的容限。

结论

GaN产业已经建立一套方法来保证GaN产品的可靠性，因此问题并不在于“GaN是否可靠？”，而是“如何验证GaN的可靠性？”透过组件级和电源级进行验证，当这些装置通过硅认证标准和GaN产业准则，尤其是通过JEP180，才足以证明GaN产品在电源供使用方面极其可靠。