GaN 是否可靠，或者这是正确的问题？

氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET) 的采用正在迅速增加，因为它能够提高效率并缩小电源尺寸。但在投资该技术之前，我们可能仍会问自己 GaN 是否可靠。令我震惊的是，没有人问硅是否可靠。毕竟还是有新的硅产品一直在问世，电源设计人员也很关心硅功率器件的可靠性。

事实是，GaN 行业在可靠性方面投入了大量精力和时间。

对于硅，可靠性问题的措辞不同——“它通过了鉴定吗？” 尽管 GaN 部件也通过了硅认证，但电源制造商并不相信硅方法可以确保可靠的 GaN FET。这是一个有效的观点，因为并非所有硅器件测试都适用于 GaN，而且传统的硅鉴定本身不包括针对电源使用的实际开关条件的压力测试。JEDEC JC-70 宽带隙电力电子转换半导体委员会发布了几项针对 GaN 的特定指南，以解决这些缺陷。

我们如何验证 GaN 的可靠性？

GaN FET 的可靠性通过既定的硅方法得到验证，并结合可靠性程序和测试方法，旨在解决 GaN 特定的故障模式，例如动态漏源导通电阻 (R DS(ON) ) 的增加。图 1 列出了实现可靠 GaN 产品的步骤。

图 1：结合既定硅标准的 GaN 特定可靠性指南

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指南。在组件级别，TI 根据传统的硅标准运行偏置、温度和湿度应力测试，使用 GaN 特定的测试方法，并通过施加加速应力直到器件失效来确定寿命。在电源级别，部件在相关应用的严格操作条件下运行。TI 还验证了偶发事件在极端工作条件下的稳健性。

GaN FET 在我们的应用中的可靠性

JEDEC JEP180 指南提供了一种通用方法来确保 GaN 产品在功率转换应用中的可靠性。为了满足 JEP180，GaN 制造商必须证明其产品具有相关应力所需的开关寿命，并在电源的严格工作条件下可靠运行。前一个演示使用切换加速寿命测试 (SALT) 来对设备进行压力测试，而后者则使用动态高温工作寿命 (DHTOL) 测试。

设备还受到现实世界中极端操作条件的影响——例如短路和电源线浪涌等事件。TI GaN 产品，例如LMG3522R030-Q1有内置短路保护。一系列应用中的浪涌鲁棒性需要同时考虑硬开关和软开关应力。GaN FET 处理电源线浪涌的方式与硅 FET 不同。由于其过压能力，GaN FET 不会进入雪崩击穿，而是通过浪涌冲击进行切换。过压能力还可以提高系统可靠性，因为雪崩 FET 无法吸收大量雪崩能量，因此保护电路必须吸收大部分浪涌。浪涌吸收元件随着老化而退化，会使硅 FET 遭受更高水平的雪崩，这可能会导致故障。相反，GaN FET 将继续开关。

TI GaN 产品是否可靠？

TI 根据图 1 所示的方法对其 GaN 产品进行认证。图 2 总结了结果，显示了组件级和电源级模块的结果。

图 2：GaN FET 的可靠性由 GaN 特定指南使用图 1 所示的方法进行验证。

在组件级别，TI GaN 通过了传统的硅认证，并且对于 GaN 特定的故障机制具有高可靠性。TI 设计并验证了时间相关击穿 (TDB)、电荷俘获和热电子磨损失效机制的高可靠性，并证明动态 R DS(ON)随老化保持稳定。

为了确定元件开关寿命，我们的 SALT 验证应用了加速硬开关应力，如“确定 GaN FET 开关寿命的通用方法”中所述。TI 模型使用开关波形直接计算开关寿命，并表明 TI GaN FET 在整个产品寿命期间不会因硬开关应力而失效。

为了验证电源级别的可靠性，我们在严格的电源使用条件下对 64 个 TI GaN 部件进行了 DHTOL 测试。器件显示出稳定的效率，没有硬故障，表明所有电源操作模式的可靠操作：硬和软开关、第三象限操作、硬换向（反向恢复）、具有高转换率的米勒击穿和可靠的交互与驱动程序和其他系统组件。TI 还通过在硬开关和软开关操作下对电源中运行的器件施加浪涌冲击来验证浪涌稳健性，并表明 TI GaN FET 可以有效地通过高达 720 V 的总线电压浪涌进行切换，从而提供了显着的余量。在“一种验证 GaN FET 在使用条件下对电源线浪涌的可靠性的新方法。”

结论

GaN 行业已经建立了一种方法来确保 GaN 产品的可靠性，因此问题不是“GaN 是否可靠？”，而是“我们如何验证 GaN 的可靠性？” TI GaN 器件在组件级和实际应用中均十分可靠。他们已经通过了硅认证标准和 GaN 行业指南。特别是，TI GaN 产品通过了 JEP180，证明它们在电源使用方面是可靠的。