氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET) 的采用正在迅速增加，因為它能夠提高效率并縮小電源尺寸。但在投資該技術之前，我們可能仍會問自己 GaN 是否可靠。令我震驚的是，沒有人問硅是否可靠。畢竟還是有新的硅產品一直在問世，電源設計人員也很關心硅功率器件的可靠性。

事實是，GaN 行業(yè)在可靠性方面投入了大量精力和時間。

對于硅，可靠性問題的措辭不同——“它通過了鑒定嗎？” 盡管 GaN 部件也通過了硅認證，但電源制造商并不相信硅方法可以確?？煽康?GaN FET。這是一個有效的觀點，因為并非所有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壓力測試。JEDEC JC-70 寬帶隙電力電子轉換半導體委員會發(fā)布了幾項針對 GaN 的特定指南，以解決這些缺陷。

我們如何驗證 GaN 的可靠性？

GaN FET 的可靠性通過既定的硅方法得到驗證，并結合可靠性程序和測試方法，旨在解決 GaN 特定的故障模式，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)可靠 GaN 產品的步驟。

圖 1：結合既定硅標準的 GaN 特定可靠性指南

我們將測試分為組件級和電源級模塊，每個模塊都有相關的標準和指南。在組件級別，TI 根據(jù)傳統(tǒng)的硅標準運行偏置、溫度和濕度應力測試，使用 GaN 特定的測試方法，并通過施加加速應力直到器件失效來確定壽命。在電源級別，部件在相關應用的嚴格操作條件下運行。TI 還驗證了偶發(fā)事件在極端工作條件下的穩(wěn)健性。

GaN FET 在我們的應用中的可靠性

JEDEC JEP180 指南提供了一種通用方法來確保 GaN 產品在功率轉換應用中的可靠性。為了滿足 JEP180，GaN 制造商必須證明其產品具有相關應力所需的開關壽命，并在電源的嚴格工作條件下可靠運行。前一個演示使用切換加速壽命測試 (SALT) 來對設備進行壓力測試，而后者則使用動態(tài)高溫工作壽命 (DHTOL) 測試。

設備還受到現(xiàn)實世界中極端操作條件的影響——例如短路和電源線浪涌等事件。TI GaN 產品，例如LMG3522R030-Q1有內置短路保護。一系列應用中的浪涌魯棒性需要同時考慮硬開關和軟開關應力。GaN FET 處理電源線浪涌的方式與硅 FET 不同。由于其過壓能力，GaN FET 不會進入雪崩擊穿，而是通過浪涌沖擊進行切換。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。浪涌吸收元件隨著老化而退化，會使硅 FET 遭受更高水平的雪崩，這可能會導致故障。相反，GaN FET 將繼續(xù)開關。

TI GaN 產品是否可靠？

TI 根據(jù)圖 1 所示的方法對其 GaN 產品進行認證。圖 2 總結了結果，顯示了組件級和電源級模塊的結果。

圖 2：GaN FET 的可靠性由 GaN 特定指南使用圖 1 所示的方法進行驗證。

在組件級別，TI GaN 通過了傳統(tǒng)的硅認證，并且對于 GaN 特定的故障機制具有高可靠性。TI 設計并驗證了時間相關擊穿 (TDB)、電荷俘獲和熱電子磨損失效機制的高可靠性，并證明動態(tài) R DS(ON)隨老化保持穩(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 GaN FET 在整個產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 部件進行了 DHTOL 測試。器件顯示出穩(wěn)定的效率，沒有硬故障，表明所有電源操作模式的可靠操作：硬和軟開關、第三象限操作、硬換向（反向恢復）、具有高轉換率的米勒擊穿和可靠的交互與驅動程序和其他系統(tǒng)組件。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 GaN FET 可以有效地通過高達 720 V 的總線電壓浪涌進行切換，從而提供了顯著的余量。在“一種驗證 GaN FET 在使用條件下對電源線浪涌的可靠性的新方法。”

結論

GaN 行業(yè)已經建立了一種方法來確保 GaN 產品的可靠性，因此問題不是“GaN 是否可靠？”，而是“我們如何驗證 GaN 的可靠性？” TI GaN 器件在組件級和實際應用中均十分可靠。他們已經通過了硅認證標準和 GaN 行業(yè)指南。特別是，TI GaN 產品通過了 JEP180，證明它們在電源使用方面是可靠的。