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GaN Power Devices

Methodik zur Qualifikation der Zuverlässigkeit von GaN-Produkten

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Es ist wichtig, die Ausfallkriterien auf die spezifischen Ausfallarten von GaN zu stützen. Ein spezieller Ausfall ist die dynamische Zunahme des RDS(on)-Werts, die auch als current collapse, also Einbruch des Stroms, bezeichnet wird. Ursache hierfür ist das Einfangen negativer Ladungsträger sowohl in der Pufferschicht als auch in den oberen Schichten. Die Ladung, die beim Anlegen hoher Spannungen eingefangen werden kann, wird nach dem Einschalten des Bausteins nicht sofort wieder abgebaut.

Die eingefangene negative Ladung stößt Elektronen von der Kanalschicht ab. Der RDS(on) erhöht sich, weil die Zahl der Elektronen in der Kanalschicht geringer wird (Bild 1). Sobald die eingefangene Ladung abgebaut wird, stellt sich der ursprüngliche RDS(on)-Wert wieder ein.

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Dieser Effekt beeinträchtigt die Effizienz und kann dazu führen, dass sich der Baustein übermäßig erwärmt und vorzeitig ausfällt. Die Dichte eingefangener Elektronen kann sich außerdem mit zunehmender Alterung des Bausteins erhöhen, sodass die dynamische Zunahme des RDS(on) hier stärker wird. TI hat spezielle Hardware zur Überwachung des dynamischen RDS(on) während der Stresstests und kann deshalb Produkte ohne dieses Problem anbieten.

Anwendungsrelevante Bauteile-Tests

Die DC-Tests lassen sich auf relativ unkomplizierte Weise mit einer großen Zahl von Bauteilen durchführen. Sie können jedoch möglicherweise nicht prognostizieren, ob GaN in der tatsächlichen Anwendung eine Lebensdauer von zehn Jahren erreicht. Die Belastungen beim harten Schalten unterscheiden sich von jenen unter DC-Bedingungen.

Bei hart geschalteten Leistungswandlern treten nämlich induktiv bedingte Schaltflanken auf, in deren Verlauf der Baustein gleichzeitig mit hohen Strömen und hohen Spannungen konfrontiert wird. Die höchsten Belastungen bringt die Einschaltflanke mit sich, denn der FET-Kanal muss nicht nur den vollen Drosselstrom aufnehmen, bevor die Drain-Spannung (Vds) abfällt, sondern auch etwaige Sperrverzögerungsströme anderer Bauelemente, die an diesem Knoten liegen.

Hinzu kommt der zusätzliche Strom durch das Entladen des Ausgangs und der Kapazitäten der geschalteten Knoten, wenn Vds abfällt. Das Abschalten ist dagegen weniger belastend, weil der FET-Kanal abgeschaltet wird, wenn Vds gering ist, und der Drosselstrom die jeweiligen Kapazitäten lädt.

* Sandeep R. Bahl ist Devices & Modeling Manager GaN Reliability bei Texas Instruments (High Voltage Power Solutions), Dallas/Texas.

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