通過(guò)其晶體管實(shí)施的 GaN 技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的改進(jìn)，直到達(dá)到替代 Mosfet 的最佳成本。這一切都始于 2017 年，GaN 在 48-Vin DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的采用率開始在市場(chǎng)上具有重要意義。各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如多相和多級(jí)降壓，正在提供具有更高效率的新解決方案，以滿足 IT 和汽車市場(chǎng)的能源需求。除了 GaN 的微電子技術(shù)外，數(shù)字控制還提供了額外的提升以提高性能。

EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 表示：“數(shù)字控制的一大特點(diǎn)是能夠跨應(yīng)用程序平臺(tái)重用通用算法。他繼續(xù)說(shuō)道：“對(duì)于未來(lái)有多個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，從專用模擬控制器轉(zhuǎn)向數(shù)字控制器的投資非常值得。借助數(shù)字控制，還可以直接整合多種通信協(xié)議，例如 UART、I 2 C、SPI 和 CAN。而且，對(duì)于那些在汽車領(lǐng)域工作或需要雙向控制的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，數(shù)字控制可以通過(guò)自動(dòng)增益控制（包括負(fù)載電流反轉(zhuǎn)）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制穩(wěn)定性調(diào)整。“

除了數(shù)字控制之外，使用 GaN 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要問(wèn)題，但對(duì)于電子設(shè)備而言，通常是資格測(cè)試，它為組件的強(qiáng)度提供了明確的證據(jù)。

半導(dǎo)體的正常鑒定測(cè)試涉及在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)或一定數(shù)量的循環(huán)內(nèi)對(duì)器件施加壓力。資格測(cè)試的目標(biāo)是在大量測(cè)試部件上實(shí)現(xiàn)零故障。

“在 Efficient Power Conversion （EPC），我們?cè)诿總€(gè)已知的應(yīng)力條件下測(cè)試部件直至故障點(diǎn)。這讓我們了解了數(shù)據(jù)表限制中的裕量，但更重要的是，它讓我們了解了我們的 GaN FET 和集成電路的內(nèi)在故障機(jī)制，”Lidow 說(shuō)。

GaN 的數(shù)字控制

大多數(shù)模擬控制都受到 GaN FET 兼容性的影響，需要額外的電路來(lái)匹配柵極驅(qū)動(dòng)器操作。數(shù)字解決方案提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電源和溫度保護(hù)功能，尤其是。此外，dSPIC33CK 等數(shù)字控制可以輕松動(dòng)態(tài)調(diào)整停機(jī)時(shí)間并將設(shè)計(jì)從單相擴(kuò)展到多相。

“EPC 為 DC-DC 項(xiàng)目實(shí)施 dSPIC33CK 系列有幾個(gè)原因，我可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：價(jià)格、低功耗、小尺寸。能夠以 250 ps 的增量進(jìn)行預(yù)設(shè)的死區(qū)時(shí)間的精確控制尤為重要，因?yàn)閑GaN 器件的許多客戶都在更高的頻率（例如 2 MHz）下工作并且對(duì)功率損耗非常敏感，而功率損耗會(huì)因所需的長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間而加劇。今天的模擬控制器，”Lidow 說(shuō)。

GaN 允許您增加開關(guān)頻率而無(wú)需支付任何噪聲損失。這一優(yōu)勢(shì)允許在功率級(jí)中使用更小的無(wú)源元件和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

在這些情況下，控制電路必須更快。對(duì)于當(dāng)今1MHz以上的開關(guān)電源，需要在幾百ns內(nèi)完成采樣和轉(zhuǎn)換。計(jì)算延遲也必須在這個(gè)相同的范圍內(nèi)。現(xiàn)代數(shù)字控制器可以滿足這些要求。

分立式 GaN 解決方案的速度無(wú)疑比硅等效方案更快。使用數(shù)字控制，它們可以變得更加高效和小巧。編程以及相關(guān)固件消除了許多設(shè)計(jì)瓶頸。

氮化鎵測(cè)試

大多數(shù)半導(dǎo)體的應(yīng)力條件涉及電壓、電流、溫度和濕度等參數(shù)的測(cè)試，如表 1 所列。

表 1：eGaN FET 的應(yīng)力條件和固有失效機(jī)制

測(cè)試條件必須大大超過(guò)設(shè)備或電路板的限制，注意可能引發(fā)故障的過(guò)度條件。Alex Lidow 強(qiáng)調(diào)，對(duì)于 GaN 設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，兩種類型的應(yīng)力是必不可少的，也是最令人擔(dān)憂的：柵源電壓應(yīng)力和漏源電壓應(yīng)力。

圖 1 顯示了數(shù)百個(gè)設(shè)備在不同電壓和溫度下的故障結(jié)果轉(zhuǎn)換為平均故障時(shí)間 （MTTF）。查看右側(cè)的圖表，在 V GS為 6 V DC 的情況下，您可以預(yù)期 10 年內(nèi)發(fā)生 10 到 100 百萬(wàn)分率 （ppm） 的故障。然而，Lidow 表明，推薦的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為 5.25 V，并且此電壓下的預(yù)期故障率在 10 年內(nèi)低于 1 ppm。

圖 1：（左）EPC2212 eGaN FET 的平均故障時(shí)間 （MTTF） 與25 o C 和 120 o C 下的V GS。（右）圖表顯示了25 o C 時(shí)的各種故障概率與 V GS

動(dòng)態(tài)電阻 （ RDS（on） ） 一直是早期 GaN 器件中令人擔(dān)憂的故障機(jī)制。由于強(qiáng)電子俘獲，當(dāng)器件暴露于高漏極電壓 （V DS ）時(shí)，R DS（on）增加，因此電阻更大。在最高溫度條件下的 V DS直流電壓下，用于俘獲的電子候選來(lái)自 I DSS，其數(shù)量級(jí)為 uA。為了加速捕獲，可以增加 V DS電壓，如圖 2 所示。

圖 2：在不同電壓和溫度下隨時(shí)間獲取的設(shè)備故障數(shù)據(jù)被統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)化為隨時(shí)間、溫度和電壓的故障率預(yù)測(cè)

“圖表右側(cè)顯示了在各種 VDSS 下 1 ppm （0.0001%）、100 ppm （0.01%） 和 10，000 ppm （1%） 失效的時(shí)間。在此 100 V 器件的最大標(biāo)稱 V DS下，1 ppm 故障率遠(yuǎn)高于 10 年線，”Lidow 說(shuō)。

所有這些測(cè)試的目標(biāo)是獲得有效的產(chǎn)品。Lidow 指出，從 2017 年 1 月至 2020 年 2 月，在汽車和電信領(lǐng)域的主要 EPC 應(yīng)用中，eGaN FET 解決方案的現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間超過(guò) 1230 億小時(shí)。總共有 3 個(gè)設(shè)備單元發(fā)生故障。

上述主要應(yīng)力條件可以作為直流極化連續(xù)施加，可以循環(huán)打開和關(guān)閉，并且可以作為高速脈沖施加。類似的電流應(yīng)力條件可以應(yīng)用為 DC 直流或脈沖電流。此外，從熱學(xué)的角度來(lái)看，可以使用相同的標(biāo)準(zhǔn)施加應(yīng)力，在這種情況下，通過(guò)在預(yù)定的極端溫度下運(yùn)行設(shè)備一段時(shí)間，或者可以以各種方式循環(huán)溫度。最終目的是獲得要分析的一系列故障，定義導(dǎo)致故障的機(jī)制。

審核編輯：郭婷