为 GaN FET 提供更高的短路能力

接线图 2024年10月20日 19:23 46 admin

电源开关的短路能力是所有电源系统的关键特性，尤其是那些更容易发生短路事件的系统，例如电机驱动器。这些事件是由过载、击穿、电流浪涌和/或外部故障条件引起的（图 1）[1]，需要快速检测故障并安全关闭电源设备，以防止发生灾难性故障。

　　适当的故障检测响应时间约为 2s [2]，这个时间决定了电源开关所需的短路耐受时间 (SCWT) 额定值（即器件能够耐受短路事件的最短时间，在源极和漏极端子之间施加高电压和大电流。）

为 GaN FET 提供更高的短路能力第1张

图 1. 三相电机驱动方案中使用的功率器件，显示两种短路情况：(a) 高端和低端之间的击穿和 (b) 电感负载之间的短路。图片由 Bodo's Power Systems提供

为了支持高压 GaN FET 的持续采用，确保较高的 SCWT 非常重要。不过，鉴于其固有属性，这可能很难实现。GaN FET 以及其他宽带隙器件在较小的面积上提供比传统硅器件高得多的功率密度。因此，当受到短路条件（同时出现高压和高电流浪涌以及极端瞬时功率耗散）的影响时，GaN 器件可能会经历更陡峭的温度上升，从而导致 SCWT 比硅基器件更短。

　　保护足够，性能下降…… 性能足够，保护下降研究 [3] 已证明，使用 600 V GaN 器件，可以在 400 V 下实现 SCWT ≥ 3 s。然而，性能会受到影响，因为据报道，器件的归一化 R on大于 20 Ω·mm (> 9 mΩ·cm 2 )，对于市场采用来说，这个值相当高。
　　市售的 600 V GaN 器件表现也好不到哪里去。在 400 V 下测试时，具有竞争性特定 R on的商用器件的 SCWT限制在 < 0.5s [4] [5]。因此，在保持具有竞争力的低特定导通电阻的同时增加 GaN 器件的 SCWT 是实现短路能力而不影响性能的关键。
　　解决方案：短路电流限制器

　　使用专利技术 [6] [7] 短路电流限制器 (SCCL)（图 2），可以控制短路事件期间的功耗（保持在较低水平），方法是减少从漏极流向源极的短路电流，同时尽量减少导通电阻的下降。在双芯片常关型 GaN 平台中，可以通过控制 Si-FET 的饱和电流 (I d,sat ) 或 GaN-HEMT 的饱和电流来实现较低的短路电流和较高的 SCWT。

为 GaN FET 提供更高的短路能力第2张

　　图 2. 专利短路电流限制器 (SCCL) 的作用是降低漏源饱和电流 (I )，从而增加器件的 SCWT，同时保持低导通电阻。图片由 Bodo's Power Systems提供为了分析的目的，执行了后者：通过降低GaN-HEMT 的I d,sat 来增加 SCWT。
　　SCCL 是通过使用专有工艺沿 GaN-HEMT 宽度移除 2DEG 通道段，在 Transphorm 的核心技术上实现的。图 3a 和图 3b 分别显示了标准 GaN-HEMT 和带有 SCCL 的 GaN-HEMT 的顶视图。图 3c 和图 3d 显示了 SCCL 器件的纵向横截面。AA' 截面沿电流孔径路径截取，其中 2DEG 从源极到漏极不间断，电子可以在导通状态下流动。在孔径中，2DEG 特性（电荷密度和迁移率）和场板结构的夹断电压与标准器件相同。

　　BB' 截面是沿电流阻断路径截取的，显示在场板结构的有限部分下缺乏 2DEG。电流阻断分段的正确设计（电流阻断区域的长度、宽度和周期性）确保了对饱和电流的良好控制，同时保持了具有竞争力的低导通电阻。R on的有限增加是可能的，因为 R on主要由 GaN-HEMT 漏极接入区（相当于传统功率器件中的“漂移区”）决定，而该区域不受 SCCL 阻断区的影响。事实上，要控制 I d,sat，只需在整个源极-漏极间距沿线的一小段长度部署电流阻断即可。

为 GaN FET 提供更高的短路能力第3张

　　图 3. 双芯片常闭 GaN 开关的顶视图（a）不带专利短路限流器 (SCCL)，（b）带专利短路限流器。SCCL 是通过沿 GaN HEMT 宽度移除 2DEG 通道的各段来实现的。沿路径截取的纵向横截面，（c）为电流孔径，（d）为电流阻断器。图纸未按比例绘制。图片由 Bodo's Power Systems提供实验结果

　　将标准 GaN 器件 [8] 与具有 SCCL 的 GaN 器件进行了比较。两种器件具有相同的芯片面积，具有相同的 650 V 额定值，并采用 8x8 mm PQFN 封装。

为 GaN FET 提供更高的短路能力第4张

　　图 4 显示了室温输出特性：当栅极完全开启（Vgs = +12 V）时，标准器件的平均静态 R on为 53 mΩ，饱和电流 (I d,sat ) 超过 120 A，而具有 SCCL 的器件的平均静态 R on为 71 mΩ，I d,sat明显较低，为 42 A。借助 SCCL 技术，我们能够将 I d,sat 降低 3 倍，而静态导通电阻仅增加 0.35 倍（图 5a）。

　　图 4. (a) 标准 650-V GaN 器件和 (b) 带 SCCL 的 650-V GaN 器件的室温输出曲线。当栅极完全导通 (Vgs = +12 V) 时，标准器件的饱和电流 (I d,sat ) 超过 120 A，而带 SCCL 的器件的 I d,sat明显较低，为 42 A。I d,sat降低了 3 倍，而导通电阻仅增加了 0.35 倍。图片由Bodo's Power Systems提供值得注意的是，尽管 SCCL 器件的 I d,sat明显低于标准器件，但 SCCL I d,sat仍比最大额定直流电流（室温下为 20 A）高出 2 倍以上。这对于确保良好的导通状态操作以及导通瞬态期间输出电容 (C oss ) 的快速切换和快速放电非常重要。最后，SCCL 技术不会降低场板介电隔离的质量，因为与标准器件相比，650 V 关断状态漏电流没有增加（图 5b）。

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　　图 5. (a)在室温下，导通状态 Id = 6 A 时获得的原始静态 R on。SCCL器件的 R on损失相对较小，为 +0.35x，因为电流块仅部署在整个漏极-源极长度的短部分。 (b) 在室温下，在 V ds = 650 V 时获得的关断状态漏极漏电流。关断状态漏电流没有增加，这表明 SCCL 技术不会降低场板电介质隔离的质量。图片由Bodo's Power Systems提供

为 GaN FET 提供更高的短路能力第6张

图 6. 短路测试板示意图。

该板模拟硬开关故障，其中 DUT 直接接通故障，并经历其端子上的整个直流总线电压 (400V)。图片由 Bodo's Power Systems提供为了评估 SCWT 的改进效果，在最坏情况（称为“硬开关故障”）的短路事件期间对设备进行了测试和比较，其中 DUT 直接接通故障，并且必须在整个短路脉冲持续时间内承受全总线电压。短路测试板如图 6 所示。在测试期间，通过完全打开栅极 3 ?s 来模拟短路事件。直流总线以 50 V 为增量逐步从 50 V 增加到 400 V。在每个步骤中，施加一个短路脉冲并记录相关的短路波形。本文报告的测试均在室温下进行。

　　结果如图 7 所示。标准器件的短路电流为 180 A，在直流总线电压仅为 100 V 时，3s 后失效，而 SCCL 器件的短路电流要低得多（50 A），并且在 400 V 电压下可承受 3 ?s 脉冲。短路稳健性的显著提高（超过 4 倍）证明了 SCCL 设计的概念验证和成功实施。

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　　图 7. 室温下在 (a) 标准 GaN 器件和 (b) 带有 SCCL 的 GaN 器件上采集的 3-?s 短路脉冲。标准器件的短路电流为 180 A，在 100 V 直流总线电压下失效，而 SCCL 的短路电流 (50 A) 要低得多，并且在 400 V 下能承受 3-?s 脉冲。图片由 Bodo's Power Systems提供为了确保 SCCL 器件能够在实际的开关应用中具有高性能和高可靠性，进行了直流和短路测试以及动态 R测试、电感开关测试和高温反向偏置 (HTRB) 应力测试。
　　使用 480 V 直流总线和 2 ?s 导通脉冲宽度进行的动态 R on测试表明，动态和静态 R on之间的相对增加量约为 +18%。这与标准设备中动态和静态 R on之间的相对增加量相似，表明 SCCL 阻断区域不会加剧电荷捕获。

　　使用 400 V 直流总线和 15 A 负载电流进行的电感开关测试（图 8）表明，在开启和关闭期间，一对 SCCL 器件具有与标准器件相似的 dv/dt（≥35 V/ns，Rg = 50 Ω，图 9），这表明 SCCL 的低 I d,sat不会妨碍输出电容 (C oss )的充电和放电。

为 GaN FET 提供更高的短路能力第8张

　　图 8. 电感开关测试板原理图。图片由 Bodo's Power Systems提供在 HTRB 测试期间，80 个部件在 150°C 和 520 V 下承受反向偏压应力 1000 小时。在 250 小时和 1,000 小时后，均未观察到保险丝故障、漏电增加和相对较小的退化 R 参数（~5%）。参见图 10。退化时的小参数 R与在标准设备中观察到的类似，因此表明 SCCL 阻断区域不会引入任何额外的退化和/或故障机制。这对于 SCCL 技术未来的 JEDEC 和汽车认证来说是一个有希望的结果。
　　结论

　　SCCL 被证明是一种高性能、高可靠性的解决方案，可将 GaN 功率器件的 SCWT 改善至 400 V 下的 3 ?s，同时导通电阻的增加有限。SCCL 将短路电流降低了 3 倍以上，并将短路稳定性提高了 4 倍以上。截至目前，导通电阻的损失被限制在 0.35 倍。通过不断优化 SCCL 设计，可以进一步降低 Ron 损失。从包括动态 Ron 测试、电感开关测试和 100 小时 HTRB 在内的初始特性测试来看，SCCL 技术已证明具有与标准 Transphorm 技术类似的开关性能和可靠性为 GaN FET 提供更高的短路能力第9张

为 GaN FET 提供更高的短路能力第10张

图 9. 标准器件和 SCCL 器件在电感负载电流约为 15 A 时获得的 (a) 开启瞬态和 (b) 关断瞬态。SCCL 器件的 dv/dt 与标准器件相似，表明 SCCL 的低 I d,sat不会妨碍输出电容 (C oss ) 的充电和放电。图片由Bodo's Power Systems提供

为 GaN FET 提供更高的短路能力第11张

图 10. 在 SCCL GaN 器件（80 个部件）上进行 150°C 和 520 V 的 1000 小时 HTRB 测试之前和之后测量的R on和漏极漏电。在 250 和 1000 小时后，我们均未观察到保险丝故障、漏电增加，并且参数 R on退化相对较小（~5%）。较小的参数 R on退化与在标准器件中观察到的类似，因此表明 SCCL 阻断区域不会引入任何额外的退化和/或故障机制。图片由Bodo's Power Systems提供

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