用于汽车激光雷达的GaN器件可靠性测试,超越AEC,确保自主导航所需的性能和安全

2021-03-10 EPC
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高容量GaN功率器件的一种汽车应用是用于自动驾驶汽车的激光雷达(光探测和测距)。激光雷达技术可提供有关车辆周围环境的信息,因此需要很高的准确性和可靠性才能确保安全性和性能。本文将讨论由EPC开发的新颖测试机制,用于测试超出汽车电子理事会(AEC)对激光雷达特定用例资格要求的eGaN器件。


用于激光雷达的方法

当今,激光雷达产业中有两种重要形式:直接飞行时间(DToF)和间接飞行时间(IToF)。 典型的DToF激光雷达发送单个脉冲,并通过多次反射计算到目标的距离。发射的光子越多,可以检测到的物体就越远。 脉冲越窄,分辨率越高,使得这些系统非常适合远程雷达系统。 IToF激光雷达通过比较发射和反射脉冲序列的相位来工作(图1)。 这种类型的系统主要用于从不到1米到数十米的中等范围。

图1:直接飞行时间(DToF)和间接飞行时间(IToF)如何工作的图示


激光雷达用GaN

eGaN FET和IC广泛应用于自动驾驶汽车的DToF和IToF激光雷达电路中,它们具有以下几个主要优点:

·开关速度更快,脉冲更短,距离分辨率更高

·占板面积小,可实现高功率密度,低电感和紧凑型解决方案

·脉冲重复频率越高效率越高


在典型的DToF激光雷达应用中,GaN器件会发出短的大电流脉冲(约1-5 ns),从而驱动激光二极管产生窄光脉冲。峰值电流通常明显大于FET脉冲电流额定值的50%。脉冲占空比通常较低,并且脉冲重复频率在10至100 kHz的范围内。当没有脉冲时,GaN器件处于关断状态,暴露在一定的漏极偏压下。


这种应力状态对于功率器件来说是前所未有的,因此难以依靠常规的直流可靠性测试(例如高温栅极偏置(HTGB)或高温反向偏置(HTRB))来预测工作寿命。脉冲期间同时出现的高电流和高电压引起了对热载流子效应的关注,可能导致阈值电压(VTH)或导通电阻(RDS(on)在器件内发生参数漂移。另外,重复的高电流脉冲的累积效应提高了电迁移的灵敏性,从而导致焊点退化。


即使是特定于GaN的测试,如EPC采用的硬开关可靠性测试,也不能有效地模拟激光雷达电路中的应力条件。为了解决这些问题,EPC与主要的激光雷达客户合作开发了一种新的测试方法。该激光雷达可靠性测试是EPC“Beyond AEC”计划的一部分,这是一系列GaN特定应力测试,超出了AEC-Q101标准中为MOSFET开发的传统可靠性测试的相关部分范围。


大电流脉冲下的长期稳定性

该测试方法的概念是在实际的激光雷达电路中对零件施加应力,使其脉冲总数远远超出其最终任务数。汽车激光雷达的任务概况因客户而异。典型的汽车外形要求使用寿命为15年,每天以100 kHz脉冲重复频率(PRF)运行2小时——这相当于大约4万亿总激光雷达脉冲。在某些最坏的情况下,使用寿命可能需要多达10-12万亿个脉冲。


通过测试远远超出其完整任务配置文件末尾的大量设备,同时验证系统性能和设备特性的稳定性,该测试方法直接证明了eGaN器件在激光雷达任务中的寿命。


通过测试超过其全部任务结束时所需的脉冲数量,同时验证系统性能和设备特性的稳定性,该测试方法直接演示了激光雷达任务中eGaN设备的寿命。

图2:超过13万亿个激光雷达脉冲的脉冲宽度(右下)和脉冲高度(右上)的长期稳定性


测试方法和结果

为了获得大量脉冲,以比典型激光雷达电路高得多的脉冲重复频率(PRF)连续给零件施加压力。该测试电路基于EPC热门的EPC9126激光雷达应用板。EPC的eGaN FET第十一阶段可靠性报告的附录B中提供了有关测试程序的实验详细信息。


在本研究中,测试了两个流行的AEC级零件:eGaN FET EPC2202(80V)和EPC2212(100 V),每种类型的四个部分同时进行了测试。在应力过程中,每个设备上连续监测两个关键参数:(i)峰值脉冲电流和(ii)脉冲宽度。这些参数对激光雷达系统的距离和分辨率都至关重要。


图2显示了前13万亿个脉冲的测试结果。注意,在脉冲宽度或高度上都没有观察到退化或漂移。脉冲的累积数量对应于典型的汽车使用寿命。尽管这是eGaN器件稳健状况的间接监控器,但它表明没有发生会对电路性能产生不利影响的退化机制。

图3:在激光雷达可靠性测试期间,RDS(on)和VTH的长期稳定性。通过短暂中断激光雷达应力,每隔六个小时测量一次这些参数


为了更好地了解随时间变化的eGaN器件参数稳定性,测试系统每六个小时中断一次激光雷达应力,以测量RDS(on)和器件阈值VTH。经过简短的参数测量后,器件将迅速返回到激光雷达应力模式。结果显示在图3中。两个参数在测试过程中均显示出出色的稳定性。稳定性表明,激光雷达应力对eGaN器件相对有利。


概括

对eGaN器件的窄、大电流脉冲(lidar)测试表明,在典型的汽车使用寿命内,它们在激光雷达应用中非常可靠。迄今为止,未观察到任何故障模式或参数退化。 GaN功率器件已经在激光雷达应用中批量生产,提供了所需的准确性和稳健性,以确保自主导航所需的性能和安全。


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