저자_ EPC의 알렉스 리도우 박사, 로버트 스트릿트머트 박사, 성케 장 박사, 알레한드로 포조 박사
서론
질화 갈륨 (GaN) 전력 소자는 놀라운 필드 신뢰성 기록을 세우며2010년 3월부터 대량 생산되어오고 있다[1]. 질화 갈륨 전력 소자를 대량으로 사용하는 자동차 응용 분야는 자율 주행 차량용 LiDAR이다. LiDAR 기술은 차량 주변 환경에 대한 정보를 제공하므로 안전성과 성능을 보장하기 위해 높은 정확도와 신뢰성을 필요로 한다.
이 글에서는 LiDAR의 특정 사용 사례에 대해 자동차 전자 위원회 (AEC)에서 명시한 자격 요건을 능가하는 eGaN® 소자를 테스트하기 위해 Efficient Power Conversion (EPC)이 개발한 새로운 테스트 메커니즘에 대해 설명하고자 한다.
LiDAR를 위한 테스트 방법
LiDAR 산업에는 직접 비행 시간 (D ToF) 및 간접 비행 시간 (I ToF) 형태가 있다. 일반적인 D ToF LiDAR는 개별 펄스를 전송한 후 대상까지의 거리를 컴퓨팅해서 반사 시간을 계산한다. 방출되는 광자가 많을수록 멀리 떨어진 물체를 더 멀리 감지할 수 있다. 파동이 좁을수록 해상도가 높으므로 이 방법은 장거리 시스템에 이상적이다.
이에 비해 I ToF LiDAR는 송신 및 반사 펄스 트레인의 위상을 비교해서 작동한다 (그림 1). 이러한 유형의 시스템은 주로 1미터 미만에서 수십 미터까지 중거리에서 사용된다.
LiDAR용 질화 갈륨
GaN FET 와 IC 는 자율 주행 차량을 위한 D ToF 및 I ToF LiDAR회로 모두에서 폭넓게 구현되며 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 제공한다.
• 더 짧은 펄스와 더 나은 범위의 해상도를 위한 더 빠른 스위칭
• 높은 전력 밀도, 낮은 인덕턴스 및 컴팩트 솔루션에 적합한 더 작은 설치 공간
• 더 높은 펄스 반복 속도에서의 더 높은 효율
일반적인 DToF LiDAR 응용 프로그램에서 GaN 소자는 1나노 초부터5 나노 초까지의 순서로 짧은 고전류 펄스를 전달함으로써 레이저 다이오드를 구동하여 좁은 광학 펄스를 생성한다. 피크 전류는 일반적으로 FET 펄스 전류 등급의 50% 보다 실질적으로 크다. 펄스 듀티 사이클은 일반적으로 낮으며 펄스 반복 주파수는 10~ 100kHz 의 범위에 있다. 펄스가 되지 않을 때 GaN 소자는 OFF 상태가 되어 특정 드레인 바이어스에 노출된다.
전력 소자에 전례가 없는 이러한 응력 상태는 고온 게이트 바이어스 (HTGB) 또는 고온 역편향 (HTRB)과 같은 기존의 DC 신뢰성 테스트에 의존하므로 작동 수명을 예측하기가 어렵다. 펄스가 일어나는 동안 동시에 발생하는 높은 전류와 전압은 ‘핫 캐리어’ 효과에 대한 우려를 제기하여 소자 내에서의 임계 전압(VTH) 또는 온 저항(RDS(on)) 변이 현상으로 이어질 가능성이 있다. 또한 반복적인 고전류 펄스의 누적 효과는 납땜 조인트의 분해로 이어지는 전자 이동의 스펙터를 일으킨다.
EPC가 채택한 하드 스위칭 신뢰성 테스트와 같은 갈륨 질화 소자 전용 테스트도 LiDAR 회로의 응력 조건을 효과적으로 에뮬레이트하지 않는다[2]. 이러한 우려를 해결하기 위해 EPC는 주요 LiDAR 고객과의 협력을 통해 새로운 테스트 방법을 시도했다. 이 LiDAR 신뢰성 테스트는 AEC-Q101 표준의 일환으로 MOSFET를 위해 개발된 기존의 신뢰성 테스트를 뛰어넘는 갈륨 질화 소자 전용 응력 테스트인 EPC의 “AEC 기준을 뛰어넘는” 이니셔티브[3]의 일부이다.
높은 전류 펄스하에서 장기적인 안정성
이 테스트 방법의 개념은 실제 LiDAR 회로에서 부품을 자극하여 궁극적인 임무 프로필을 훨씬 뛰어넘는 펄스의 총합계를 얻어내는 것이다. 자동차용 LiDAR의 미션 프로필은 고객마다 다르다. 일반적인 자동차 프로파일은 100kHz 펄스 반복 주파수 (PRF)로 하루 2시간 작동 기준으로 15년의 수명을 요구하는데 이는 총 LiDAR 펄스의 약 4조 횟수에 해당된다. 최악의 경우 서비스 수명 동안 10-12조 횟수의 펄스를 요구할 수도 있다.
시스템 성능과 소자 특성의 안정성을 확인하면서 전체 임무 프로필의 마지막 구동 순간을 훨씬 초과하는 소자의 숫자를 알아내는 이 방법을 사용하면 LiDAR 임무에서 eGaN 소자의 수명이 얼마나 되는지 직접적으로 알 수 있다.
시험 방법론 및 결과
펄스 숫자를 많이 내기 위해 일반적인 LiDAR 회로보다 훨씬 높은 펄스 반복 주파수(PRF)에서 부품들을 가동시킨다. 테스트 회로는 EPC의 인기있는 EPC9126 LiDAR애플리케이션 보드[4]를 기반으로 한다. 테스트 절차의 실험 세부 사항은 EPC의 11단계 신뢰성 보고서[2]의 부록 B에 있다.
이 연구를 위해 EPC2202 (80V) 와 EPC2212 (100) 등 AEC 등급에서 통상적으로 사용하는 부품들이 테스트되었다. 각 타입별로 4개의 부품들을 동시에 테스트한 결과 응력 동안 모든 소자에서 (i) 피크 펄스 전류와 (ii) 펄스 폭의 두 가지 주요 매개 변수가 지속적으로 모니터링되었다. 이러한 매개 변수는 LiDAR 시스템의 범위와 해상도 모두에 중요한 요소이다.
그림 2는 처음 13조 횟수의 펄스를 통한 이 테스트의 결과를 보여준다. 펄스 폭 또는 높이에서 관찰된 저하 또는 드리프트가 없음이 관찰되었다. 누적된 펄스의 숫자는 일반적인 자동차 수명에 해당된다. 이 테스트는 eGaN 소자의 상태를 간접적으로 모니터링한 결과 회로 성능에 부정적인 영향을 주는 분해 메커니즘이 발생하지 않음을 보여준다.
시간이 지남에 따라 eGaN 소자 파라메트릭 안정성에 대한 가시성을 높이기 위해 테스트 시스템은 6시간마다 LiDAR 응력 중단을 통해 RDS(on) 및 소자 임계값 VTH 을 측정했다. 부품들은 이 간단한 파라메트릭 측정 후에 LiDAR 응력 모드로 신속하게 원위치로 돌아갔다. 그 결과는 그림 3에 나타나있다. 두 매개 변수 모두 테스트 기간 동안 우수한 안정성을 보여 준다. 안정성이 있다함은 LiDAR 응력이 eGaN 소자에 비교적 악영향을 주지 못함을 나타낸다.
4개의 EPC2202 (빨간색) 소자와 4개의 EPC2212 (파란색) 소자에 대한 데이터가 이 테스트에서 오버레이된다.
일반적인 자동차 수명에 해당하는 총 펄스 횟수에 대한 이 주요 매개 변수의 우수한 안정성이 입증되었다.
요약
eGaN 소자의 짧은 고전류 펄스 (LiDAR) 테스트 결과 이 소자들이 일반적인 자동차 수명 동안 LiDAR 응용 분야에서 매우 신뢰할 수 있음을 알 수 있었다. 이 테스트에서는 아무런 오류 모드나 파라메트릭 저하 현상이 관찰되지 않았다. LiDAR 애플리케이션에서 이미 대량 생산을 하고 있는 GaN 전력 소자는 자율 항법장치에 필요한 성능과 안전 보장에 필수적인 정확성과 견고성을 제공한다.
References
[1] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd Edition, J. Wiley 2020.
[2] Efficient Power Conversion, Corporation, “EPC eGaN® FETs Reliability Testing: Phase 11,” 2020. Available from: https://epc-co.com/epc/DesignSupport/eGaNFETReliability/ReliabilityReportPhase11.aspx
[3] J. Glaser, “An Introduction to Lidar: A look at future developments,” IEEE Power Electronics Magazine, March 2017
[4] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC9126/EPC9126HC Lidar Demo Boards,” EPC9126/EPC9126HC Quick Start Guide. Revision 3.0. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/guides/EPC9126xx_qsg.pdf
[5] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2202 – Automotive 80 V (D-S) Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2202 data sheet. 2019 [Revised August 2019]. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2202_datasheet.pdf
[6] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2212 – Automotive 100 V (D-S) Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2212 data sheet. 2019 [Revised August 2019]. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2212_datasheet.pdf
