提高 GaN HEMT 功率器件的短路耐受時(shí)間

在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換中采用寬帶隙 (WBG) 功率器件可以顯著提高系統(tǒng)效率和功率密度，并提供其他優(yōu)勢(shì)，例如更少的可聽(tīng)噪聲和更快的切換帶來(lái)的更精確的控制。在這些應(yīng)用中，降低轉(zhuǎn)換損耗是實(shí)現(xiàn)凈零碳足跡以應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵部分，因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器占總用電量的 60%。在本文中，我們將討論氮化鎵 (GaN) HEMT 功率器件中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即短路耐受時(shí)間 (SCWT)。

短路穩(wěn)健性

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的惡劣環(huán)境可能導(dǎo)致故障條件(如逆變器擊穿和電機(jī)繞組絕緣擊穿)導(dǎo)致過(guò)電流。電源設(shè)備需要承受這些事件，直到保護(hù)感應(yīng)電路觸發(fā)并關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。短路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。在這種情況下流動(dòng)的電流是器件的飽和電流 (I DSAT )。

· 電流密度通常呈現(xiàn)急劇的峰值，導(dǎo)致溫度上升。

· 由于閾值電壓 (V th )下降，溫度升高可產(chǎn)生正反饋機(jī)制。這可與高 V DS導(dǎo)致的漏極感應(yīng)勢(shì)壘降低相結(jié)合。

· 高電場(chǎng)和高溫會(huì)導(dǎo)致柵極和漏極漏電增加。如果器件在耐受時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，則影響是可以恢復(fù)的。

· 眾所周知，反復(fù)發(fā)生的 SC 事件會(huì)造成更大的壓力和設(shè)備故障。

· 具有柵極氧化物的器件(例如 MOSFET 和 MISFET)可能會(huì)出現(xiàn)柵極氧化物故障。

· 高溫會(huì)導(dǎo)致設(shè)備金屬層(如鋁)熔化。這些最終影響是災(zāi)難性的，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

SCWT 是衡量器件能夠承受短路事件的最短時(shí)間的關(guān)鍵指標(biāo)。硅 IGBT 器件的額定 SCWT 通常超過(guò) 10 μs，而對(duì)于碳化硅 MOSFET，該值要低得多，約為 3-5 μs。WBG 器件通常在較高的功率密度下工作，因此在短路條件下溫升會(huì)更急劇。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(bào)告稱(chēng)，在總線電壓為 400 V 的重復(fù)短路事件下，650 V GaN HEMT 的 SCWT 遠(yuǎn)低于 1 μs。2器件中各層之間的熱限制和熱導(dǎo)率不匹配是 SCWT 不佳的關(guān)鍵因素。

SC 檢測(cè)

柵極驅(qū)動(dòng)器具有不同的短路檢測(cè)和控制方法。兩種常用的方法是：

· 去飽和檢測(cè)：如圖 1 所示，器件的 V DS由電容器(稱(chēng)為消隱電容器)感測(cè)，該電容器在器件正常運(yùn)行時(shí)會(huì)鉗制正向電壓。在短路事件下，該電壓會(huì)充電至觸發(fā)器件關(guān)斷的閾值電壓。充電時(shí)間(稱(chēng)為消隱時(shí)間)受到控制，以防止開(kāi)啟轉(zhuǎn)換導(dǎo)致誤觸發(fā)。

· 分流電阻：這種過(guò)流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有良好的精度，缺點(diǎn)是相關(guān)的功率損耗。

改進(jìn) GaN HEMT SCWT

Transphorm 擁有一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，稱(chēng)為短路電流限制器 (SCCL)。該技術(shù)的目標(biāo)是降低器件 I DSAT，這是通過(guò)使用專(zhuān)有工藝去除 2DEG 通道中的區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，可以創(chuàng)建一個(gè)掩蔽的 SCCL 孔徑，指示有源 2DEG 區(qū)域，從而根據(jù)客戶需求使用標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠工藝減少器件的有源區(qū)域。如圖 1 所示。

圖 1：SCCL 方法對(duì) GaN HEMT 中的 SCWT 改進(jìn)

借助 SCCL 概念，可以顯著降低 I DSAT，同時(shí)使器件 R DS(on)相應(yīng)小幅增加。例如，將 R DS(on)增加 0.35 倍，即可使I DSAT降低 3 倍。3 SCCL還表明不會(huì)降低器件的關(guān)斷狀態(tài)性能。

Transphorm 已在 V DS為 400 V的情況下對(duì)其 650 V GaN HEMT 進(jìn)行了 50 次重復(fù) SC 測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)器件指標(biāo)(如動(dòng)態(tài) R DS(on))有任何下降。SCWT 增加與相應(yīng)的 R DS(on)增加之間的權(quán)衡可以轉(zhuǎn)化為使用 SCCL 技術(shù)時(shí)同一器件的較低電流額定值。如圖 2 所示，SCWT 為 0.3 μs 的 170 A、10 mΩ 器件可以修改為滿足 5 μs SCWT 的要求，額定值為 145 A 和 15 mΩ。

圖 2：使用 SCCL 將 GaN HEMT SCWT 提高至 5 μs，且額定值較低

如 [1] 所述，SCWT 增加到 5 μs 會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗顯著增加。這里，將標(biāo)準(zhǔn)器件與經(jīng)過(guò)修改以實(shí)現(xiàn) 5 μs SCWT 的器件進(jìn)行了比較。數(shù)據(jù)是使用 Si8285 柵極驅(qū)動(dòng)器(驅(qū)動(dòng) 0-12 V 的柵極電壓)和柵極電阻R gon,off = 5, 15 Ω 獲得的。這里的 GaN 器件是 Transphorm 的級(jí)聯(lián) GaN 產(chǎn)品，采用三引線 TO-247 封裝。數(shù)據(jù)顯示了半橋升壓在 50 kHz 下切換時(shí)將 240 V 轉(zhuǎn)換為 400 V 的性能比較。在更高的功率水平下，性能下降可能很明顯。

這個(gè)比較代表了一個(gè)可能過(guò)于保守的例子。Si8285 等商用柵極驅(qū)動(dòng)器可以在不到 1.2 μs 的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷檢測(cè)。因此，2–3 μs 的 SCWT 應(yīng)該足夠了。因此，這最大限度地減少了開(kāi)關(guān)損耗權(quán)衡。

Transphorm 在其 GaN HEMT 器件中采用 SCCL 技術(shù)，展現(xiàn)出良好的高溫反向偏置 (HTRB) 可靠性。175 ° C、520 V、1,000 小時(shí) HTRB 應(yīng)力在關(guān)鍵器件指標(biāo)(如 R DS(on)、柵極和漏極泄漏以及 V th)中表現(xiàn)出微小的變化。