改善GaN HEMT功率器件的短路耐受時間

在工業電機驅動功率轉換中采用寬帶隙(WBG)功率器件可以顯著提高系統效率和功率密度，并提供其他優勢，例如可聞噪聲更少，開關速度更快，控制更精確。這些應用中較低的轉換損耗是實現凈零碳足跡以應對氣候變化的關鍵部分，因為電機驅動占總用電量的 60%。在本文中，我們將討論氮化鎵 (GaN) HEMT 功率器件中的一個關鍵參數，即短路耐受時間 (SCWT)。

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短路魯棒性

電機驅動器運行的惡劣環境可能會因逆變器擊穿和電機繞組絕緣擊穿等故障情況而導致過流水平。功率器件需要在保護檢測電路觸發和關閉電機驅動所需的時間內承受這些事件。SC 事件通常具有以下特征：

高漏極電壓 (V ds ) 和漏極電流 (I ds )的組合。這種情況下流動的電流就是器件的飽和電流(I dsat )。

電流密度通常呈現尖峰，導致溫度升高。

由于閾值電壓 (V th )降低，溫度升高會產生正反饋機制。這可以與由于高 V ds導致的漏極誘導勢壘降低相結合。

高電場和升高的溫度會導致柵極和漏極泄漏增加。如果在耐受時間內關閉設備，效果可以恢復。

眾所周知，重復的 SC 事件會產生更大的壓力和設備故障。

具有柵極氧化物的器件(例如 MOSFET 和 MISFET)可能會出現柵極氧化物失效的情況。

高溫可能導致器件金屬層(例如鋁)熔化。最后這些影響是災難性的，可能導致系統故障。

SCWT 是一個關鍵指標，用于衡量設備能夠承受 SC 事件的最短時間。硅 IGBT 器件的 SCWT 額定值通常超過 10 μs，而碳化硅 MOSFET 的額定值要低得多，約為 3–5 μs。WBG 器件通常在較高的功率密度下運行，因此在 SC 條件下會表現出更陡峭的溫升。橫向 GaN HEMT 具有高密度二維電子氣 (2DEG) 通道，可以在高柵極和漏極電壓下提供高飽和電流密度。研究報告稱，在 400 V 總線電壓下重復 SC 事件下，650 V GaN HEMT 的 SCWT 遠低于 1 μs。2器件中各層之間的熱限制和熱導率不匹配是 SCWT 不良的關鍵因素。

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柵極驅動器有不同的短路檢測和控制方法。兩種常用的方法是：

1、去飽和檢測：如圖 1 所示，器件的 V DS由電容器(稱為消隱電容器)感測，該電容器在器件正常工作時鉗位正向電壓。在 SC 事件下，該電壓被充電至觸發器件關閉的閾值電壓。充電時間(稱為消隱時間)受到控制，以防止開啟轉換時的誤觸發。

2、分流電阻：這種過流檢測的優點是在整個溫度范圍內精度良好，但缺點是相關的功率損耗。

改進 GaN HEMT SCWT

Transphorm 擁有一項名為短路限流器 (SCCL) 的專利技術。這里的目標是減少器件 ID DSAT，這是通過使用專有工藝去除 2DEG 通道中的區域來實現的。因此，可以使用標準晶圓廠處理根據客戶需求創建指示有源 2DEG 區域的屏蔽 SCCL 孔徑，從而減少器件的有源區域。如圖 1 所示。

利用SCCL概念，可以通過按比例較小地增加器件R DS(on)來實現I DSAT的顯著降低。例如，I DSAT減少 3 倍可以通過 R DS(on)增加 0.35 倍來實現。3 SCCL 還被證明不會降低器件的斷態性能。

Transphorm 在 400 V V DS下對其 650 V GaN HEMT 進行了 50 次重復 SC 測試，發現動態 R DS(on)等器件指標沒有下降。SCWT 增加與相應 R DS(on)增加之間的權衡可以轉化為采用 SCCL 技術的同一器件的較低額定電流。如圖 2 所示，可對 SCWT 為 0.3 μs 的 170 A、10 mΩ 器件進行修改，以滿足額定值為 145 A 和 15 mΩ 的 5 μs SCWT。

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SCWT 增加到 5 μs 會導致開關損耗顯著增加，如 [1] 中所述。此處，將標準器件與經過修改以實現 5 μs SCWT 的器件進行比較。數據是使用 Si8285 柵極驅動器驅動 0-12 V 柵極電壓并使用柵極電阻器R gon,off = 5, 15 Ω 獲得的。

這里的 GaN 器件是 Transphorm 的級聯 GaN 產品，采用三引線 TO-247 封裝。數據顯示了半橋升壓器在 50 kHz 開關頻率下將 240 V 電壓轉換為 400 V 的性能比較。在較高功率水平下，性能下降可能會很嚴重。

此比較所代表的示例可能過于保守。Si8285 等商用柵極驅動器可以在不到 1.2 μs 的時間內實現關斷檢測。因此，2–3 μs 的 SCWT 就足夠了。因此，這最大限度地減少了開關損耗權衡。

Transphorm 憑借其 GaN HEMT 器件中使用的 SCCL 技術，展示了良好的高溫反向偏壓 (HTRB) 可靠性。175 ° C、520V、1,000 小時的 HTRB 應力在 Rds(on)、柵極和漏極泄漏以及 Vth等關鍵器件指標上表現出微不足道的變化。