提高 GaN HEMT 功率器件的短路耐受时间

在工业电机驱动功率转换中采用宽带隙 (WBG) 功率器件可以显著提高系统效率和功率密度，并提供其他优势，例如更少的可听噪声和更快的切换带来的更精确的控制。在这些应用中，降低转换损耗是实现净零碳足迹以应对气候变化的关键部分，因为电机驱动器占总用电量的 60%。在本文中，我们将讨论氮化镓 (GaN) HEMT 功率器件中的一个关键参数，即短路耐受时间 (SCWT)。

短路稳健性

电机驱动器运行的恶劣环境可能导致故障条件(如逆变器击穿和电机绕组绝缘击穿)导致过电流。电源设备需要承受这些事件，直到保护感应电路触发并关闭电机驱动器。短路事件通常具有以下特征：

· 高漏极电压 (V DS ) 和漏极电流 (I DS )的组合。在这种情况下流动的电流是器件的饱和电流 (I DSAT )。

· 电流密度通常呈现急剧的峰值，导致温度上升。

· 由于阈值电压 (V th )下降，温度升高可产生正反馈机制。这可与高 V DS导致的漏极感应势垒降低相结合。

· 高电场和高温会导致栅极和漏极漏电增加。如果器件在耐受时间内关闭，则影响是可以恢复的。

· 众所周知，反复发生的 SC 事件会造成更大的压力和设备故障。

· 具有栅极氧化物的器件(例如 MOSFET 和 MISFET)可能会出现栅极氧化物故障。

· 高温会导致设备金属层(如铝)熔化。这些最终影响是灾难性的，可能会导致系统故障。

SCWT 是衡量器件能够承受短路事件的最短时间的关键指标。硅 IGBT 器件的额定 SCWT 通常超过 10 µs，而对于碳化硅 MOSFET，该值要低得多，约为 3-5 µs。WBG 器件通常在较高的功率密度下工作，因此在短路条件下温升会更急剧。横向 GaN HEMT 具有高密度二维电子气 (2DEG) 通道，可以在高栅极和漏极电压下提供高饱和电流密度。研究报告称，在总线电压为 400 V 的重复短路事件下，650 V GaN HEMT 的 SCWT 远低于 1 µs。2器件中各层之间的热限制和热导率不匹配是 SCWT 不佳的关键因素。

SC 检测

栅极驱动器具有不同的短路检测和控制方法。两种常用的方法是：

· 去饱和检测：如图 1 所示，器件的 V DS由电容器(称为消隐电容器)感测，该电容器在器件正常运行时会钳制正向电压。在短路事件下，该电压会充电至触发器件关断的阈值电压。充电时间(称为消隐时间)受到控制，以防止开启转换导致误触发。

· 分流电阻：这种过流检测的优点是在整个温度范围内具有良好的精度，缺点是相关的功率损耗。

改进 GaN HEMT SCWT

Transphorm 拥有一项专利技术，称为短路电流限制器 (SCCL)。该技术的目标是降低器件 I DSAT，这是通过使用专有工艺去除 2DEG 通道中的区域来实现的。因此，可以创建一个掩蔽的 SCCL 孔径，指示有源 2DEG 区域，从而根据客户需求使用标准晶圆厂工艺减少器件的有源区域。如图 1 所示。

图 1：SCCL 方法对 GaN HEMT 中的 SCWT 改进

借助 SCCL 概念，可以显著降低 I DSAT，同时使器件 R DS(on)相应小幅增加。例如，将 R DS(on)增加 0.35 倍，即可使I DSAT降低 3 倍。3 SCCL还表明不会降低器件的关断状态性能。

Transphorm 已在 V DS为 400 V的情况下对其 650 V GaN HEMT 进行了 50 次重复 SC 测试，未发现器件指标(如动态 R DS(on))有任何下降。SCWT 增加与相应的 R DS(on)增加之间的权衡可以转化为使用 SCCL 技术时同一器件的较低电流额定值。如图 2 所示，SCWT 为 0.3 µs 的 170 A、10 mΩ 器件可以修改为满足 5 µs SCWT 的要求，额定值为 145 A 和 15 mΩ。

图 2：使用 SCCL 将 GaN HEMT SCWT 提高至 5 µs，且额定值较低

如 [1] 所述，SCWT 增加到 5 µs 会导致开关损耗显著增加。这里，将标准器件与经过修改以实现 5 µs SCWT 的器件进行了比较。数据是使用 Si8285 栅极驱动器(驱动 0-12 V 的栅极电压)和栅极电阻R gon,off = 5, 15 Ω 获得的。这里的 GaN 器件是 Transphorm 的级联 GaN 产品，采用三引线 TO-247 封装。数据显示了半桥升压在 50 kHz 下切换时将 240 V 转换为 400 V 的性能比较。在更高的功率水平下，性能下降可能很明显。

这个比较代表了一个可能过于保守的例子。Si8285 等商用栅极驱动器可以在不到 1.2 µs 的时间内实现关断检测。因此，2–3 µs 的 SCWT 应该足够了。因此，这最大限度地减少了开关损耗权衡。

Transphorm 在其 GaN HEMT 器件中采用 SCCL 技术，展现出良好的高温反向偏置 (HTRB) 可靠性。175 ° C、520 V、1,000 小时 HTRB 应力在关键器件指标(如 R DS(on)、栅极和漏极泄漏以及 V th)中表现出微小的变化。