寬能隙元件(WBG)直到最近幾年才開始被廣泛運用在電源領域，尚無法確知其長期效能表現。這個問題成為許多應用開發者導入時的障礙。為精準預測這類元件的長期表現，我們需要新的生命週期模型。
GaN元件特性與故障分析
依據高電子遷移率電晶體(HEMT)元件結構，GaN元件行為和其矽基同類產品也有很大差異。這些差異可能導致GaN HEMT元件在受到電源轉換應用中各種應力影響時，會比矽元件更加敏感。
應用測試特性
在鑑定這些元件時，英飛凌會使用各種應用專屬的方法來識別潛在故障模式。例如，AC-DC插座必須承受嚴峻的作業條件，像是在環境溫度變化幅度極大的情況下長時間運作。由於該應用代表GaN元件的典型使用案例，因此英飛凌選擇用此應用來鑑定其GaN元件。表1為功率電晶體在2.5 kW電信整流器系統的功率因數校正(PFC)區段中，其元件切換作業概略摘要。
汲極至源極的偏壓敏感度
GaN HEMT元件在加速(超過額定值)電壓及溫度條件下測試時，故障率與汲極至源極的偏壓極度相關，也就是說，汲極至源極的偏壓越高，故障就越快發生。舉例來說，以 800V和125°C測試的元件樣品，全數皆在30小時內故障。若偏壓及溫度較低，則在較長期間後才會發生故障。我們使用測試過的值，來預測使用條件下的故障情況：在 480 V和125°C條件下，預測在約200萬小時前不會發生故障(圖3)。
即使GaN元件可以承受的電壓應力大幅高於矽同類產品，但在高電壓情況下，使用壽命會縮短。模型顯示的使用壽命比目標多三倍。圖表中，綠色星號指出典型的驗證時間和故障比率，此數據可透過目前用於矽的驗證方法來偵測，但此方法並不足以預測GaN元件的使用壽命。灰色星號代表在百萬個元件100個失效(100ppm)的情況下，目標使用壽命15年。
硬切換
SOA切換也稱為動態高溫運作使用壽命(DHTOL)，是另一種可能導致GaN元件效能衰退的重要機制。許多GaN元件製造商都發表了長期應用切換資料，顯示硬切換應用中從 1,000到3,000小時(18~60週)的穩定元件運作情況(以穩定溫度測量)。不過，這樣的時間量並不足以論斷元件效能，因為此類元件的預期使用壽命長達數年之久。
為了克服上述缺點，英飛凌開發出一款測試平台，讓元件在比原本設計預期的更高電壓和電流情況下運作，以調查是否可預測元件的長期硬切換作業可靠性。這種加速的應力測試電路會讓元件在硬切換升壓組態中運作，類似PFC或其他應用電路中使用的組態。我們將測試條件下的元件損壞情況控制住，因此仍可執行後續的故障分析。該測試平台使用高達700 V的匯流排電壓(典型使用條件為420V)以及比額定電流更高的電流。超過特定尖峰電壓和電流閾值時，元件開始發生故障。
依據這項資訊，我們擷取模型，以按照電流、電壓和頻率這類函數來預測故障率。我們以重複切換SOA曲線顯示此模型結果(圖4)，有助電路設計人員讓元件避免在可能導致過早故障的電流和電壓組合中工作。
我們也對以軟切換組態運作的CoolGaN HEMT進行加速測試，其類似於DC-DC轉換器中使用的元件(採LLC架構和其他常見拓撲)。按照之前加速硬切換期間會發生故障的作業條件，或更嚴峻情況進行測試時，未發現任何故障。這表示切換軌跡對元件故障的影響力極大(圖5)。
(本文作者均任職於英飛凌)
