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德州仪器确保GaN产品可靠性

氮化镓(GaN)场效应电晶体 (FET)正在迅速获得采用,因为这能够提高效率并缩小电源供应器尺寸。GaN产业已经建立一套方法来保证 GaN 产品的可靠性,德州仪器(TI)GaN装置在元件级和实际应用中均极为可靠。这些装置已经通过矽认证标准和GaN产业准则。尤其是,TI GaN产品通过JEP180,证明这些产品在电源供应使用方面相当可靠。

虽然GaN零件通过矽认证,不过电源制造商并不相信矽方法可以保证GaN FET 可靠。这确实是有效的观点,因为并非所有矽装置测试都适用於GaN,而且传统的矽认证本身不包括针对电源使用的实际切换条件进行的压力测试。JEDEC JC-70宽频隙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。

GaN FET的可靠性是透过既有的矽方法以及解决GaN特定故障模式的可靠性程序和测试方法进行验证,例如动态汲极源极导通电阻(RDS(ON))的增加。

TI将测试分为元件级和电源级模组,每个模组都有相关的标准和准则。在元件级,TI根据传统的矽标准进行偏置、温度和湿度应力测试,并使用GaN特定的测试方法,然後透过施加加速应力直到装置失效来确定使用寿命。在电源供应级别,零件在相关应用的严格操作条件下运作。TI也验证发生偶发事件时在极端运作条件下的耐受度。

JEDEC JEP180准则提供保证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制造商必须证明本身的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,後一项使用动态高温运作使用寿命(DHTOL)测试。

装置也受到实际情况的极端操作条件所影响,例如短路和电源线突波等事件。LMG3522R030-Q1之类的TI GaN产品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量硬切换和软切换应力。GaN FET处理电源线突波的方式与矽FET不同。由於GaN FET具备过电压能力,因此不会进入突崩溃,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分突波。突波吸收元件随着老化而劣化,矽FET会因此遭受较高程度的突崩溃,这可能会导致故障。相反的,GaN FET仍然能够持续切换。

在元件级,TI GaN通过传统的矽认证,而且对於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)、电荷捕捉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。

为了确定元件切换使用寿命,TI的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TI 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,TI在严格的电源使用条件下对64个TI GaN零件进行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元件之间的可靠互动。TI也透过在硬切换和软切换操作下对电源中运作的装置施加突波冲击来验证突波耐受度,最终显示TI GaN FET可以透过达720V的汇流排电压突波进行有效切换,因而提供显着的容限。

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