通過其晶體管實施的 GaN 技術已經取得了顯著的改進，直到達到替代 Mosfet 的最佳成本。這一切都始于 2017 年，GaN 在 48-Vin DC-DC 轉換器中的采用率開始在市場上具有重要意義。各種拓撲結構，例如多相和多級降壓，正在提供具有更高效率的新解決方案，以滿足 IT 和汽車市場的能源需求。除了 GaN 的微電子技術外，數字控制還提供了額外的提升以提高性能。

EPC 首席執行官 Alex Lidow 表示：“數字控制的一大特點是能夠跨應用程序平臺重用通用算法。他繼續說道：“對于未來有多個項目的設計師來說，從專用模擬控制器轉向數字控制器的投資非常值得。借助數字控制，還可以直接整合多種通信協議，例如 UART、I 2 C、SPI 和 CAN。而且，對于那些在汽車領域工作或需要雙向控制的設計師來說，數字控制可以通過自動增益控制（包括負載電流反轉）實現動態控制穩定性調整。“

除了數字控制之外，使用 GaN 進行設計時的一個重要問題，但對于電子設備而言，通常是資格測試，它為組件的強度提供了明確的證據。

半導體的正常鑒定測試涉及在較長時間內或一定數量的循環內對器件施加壓力。資格測試的目標是在大量測試部件上實現零故障。

“在 Efficient Power Conversion （EPC），我們在每個已知的應力條件下測試部件直至故障點。這讓我們了解了數據表限制中的裕量，但更重要的是，它讓我們了解了我們的 GaN FET 和集成電路的內在故障機制，”Lidow 說。

GaN 的數字控制

大多數模擬控制都受到 GaN FET 兼容性的影響，需要額外的電路來匹配柵極驅動器操作。數字解決方案提供了一種簡單有效的方法來實現先進的電源和溫度保護功能，尤其是。此外，dSPIC33CK 等數字控制可以輕松動態調整停機時間并將設計從單相擴展到多相。

“EPC 為 DC-DC 項目實施 dSPIC33CK 系列有幾個原因，我可以總結為以下幾點：價格、低功耗、小尺寸。能夠以 250 ps 的增量進行預設的死區時間的精確控制尤為重要，因為eGaN 器件的許多客戶都在更高的頻率（例如 2 MHz）下工作并且對功率損耗非常敏感，而功率損耗會因所需的長死區時間而加劇。今天的模擬控制器，”Lidow 說。

GaN 允許您增加開關頻率而無需支付任何噪聲損失。這一優勢允許在功率級中使用更小的無源元件和更快的瞬態響應。

在這些情況下，控制電路必須更快。對于當今1MHz以上的開關電源，需要在幾百ns內完成采樣和轉換。計算延遲也必須在這個相同的范圍內。現代數字控制器可以滿足這些要求。

分立式 GaN 解決方案的速度無疑比硅等效方案更快。使用數字控制，它們可以變得更加高效和小巧。編程以及相關固件消除了許多設計瓶頸。

氮化鎵測試

大多數半導體的應力條件涉及電壓、電流、溫度和濕度等參數的測試，如表 1 所列。

表 1：eGaN FET 的應力條件和固有失效機制

測試條件必須大大超過設備或電路板的限制，注意可能引發故障的過度條件。Alex Lidow 強調，對于 GaN 設計師來說，兩種類型的應力是必不可少的，也是最令人擔憂的：柵源電壓應力和漏源電壓應力。

圖 1 顯示了數百個設備在不同電壓和溫度下的故障結果轉換為平均故障時間 （MTTF）。查看右側的圖表，在 V GS為 6 V DC 的情況下，您可以預期 10 年內發生 10 到 100 百萬分率 （ppm） 的故障。然而，Lidow 表明，推薦的柵極驅動電壓為 5.25 V，并且此電壓下的預期故障率在 10 年內低于 1 ppm。

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

動態電阻 （ RDS（on） ） 一直是早期 GaN 器件中令人擔憂的故障機制。由于強電子俘獲，當器件暴露于高漏極電壓 （V DS ）時，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自 I DSS，其數量級為 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間獲取的設備故障數據被統計轉化為隨時間、溫度和電壓的故障率預測

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

所有這些測試的目標是獲得有效的產品。Lidow 指出，從 2017 年 1 月至 2020 年 2 月，在汽車和電信領域的主要 EPC 應用中，eGaN FET 解決方案的現場使用時間超過 1230 億小時。總共有 3 個設備單元發生故障。

上述主要應力條件可以作為直流極化連續施加，可以循環打開和關閉，并且可以作為高速脈沖施加。類似的電流應力條件可以應用為 DC 直流或脈沖電流。此外，從熱學的角度來看，可以使用相同的標準施加應力，在這種情況下，通過在預定的極端溫度下運行設備一段時間，或者可以以各種方式循環溫度。最終目的是獲得要分析的一系列故障，定義導致故障的機制。

審核編輯：郭婷