改善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)，例如可聞噪聲更少，開(kāi)關(guān)速度更快，控制更精確。這些應(yīng)用中較低的轉(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)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)。

01

短路魯棒性

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的惡劣環(huán)境可能會(huì)因逆變器擊穿和電機(jī)繞組絕緣擊穿等故障情況而導(dǎo)致過(guò)流水平。功率器件需要在保護(hù)檢測(cè)電路觸發(fā)和關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的時(shí)間內(nèi)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(dòng)的電流就是器件的飽和電流(I dsat )。

電流密度通常呈現(xiàn)尖峰，導(dǎo)致溫度升高。

由于閾值電壓 (V th )降低，溫度升高會(huì)產(chǎn)生正反饋機(jī)制。這可以與由于高 V ds導(dǎo)致的漏極誘導(dǎo)勢(shì)壘降低相結(jié)合。

高電場(chǎng)和升高的溫度會(huì)導(dǎo)致柵極和漏極泄漏增加。如果在耐受時(shí)間內(nèi)關(guān)閉設(shè)備，效果可以恢復(fù)。

眾所周知，重復(fù)的 SC 事件會(huì)產(chǎn)生更大的壓力和設(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)柵極氧化物失效的情況。

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

SCWT 是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，用于衡量設(shè)備能夠承受 SC 事件的最短時(shí)間。硅 IGBT 器件的 SCWT 額定值通常超過(guò) 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(yùn)行，因此在 SC 條件下會(huì)表現(xiàn)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(bào)告稱，在 400 V 總線電壓下重復(fù) SC 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 不良的關(guān)鍵因素。

02

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

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

2、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)精度良好，但缺點(diǎn)是相關(guān)的功率損耗。

改進(jìn) GaN HEMT SCWT

Transphorm 擁有一項(xiàng)名為短路限流器 (SCCL) 的專利技術(shù)。這里的目標(biāo)是減少器件 ID DSAT，這是通過(guò)使用專有工藝去除 2DEG 通道中的區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，可以使用標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠處理根據(jù)客戶需求創(chuàng)建指示有源 2DEG 區(qū)域的屏蔽 SCCL 孔徑，從而減少器件的有源區(qū)域。如圖 1 所示。

利用SCCL概念，可以通過(guò)按比例較小地增加器件R DS(on)來(lái)實(shí)現(xiàn)I DSAT的顯著降低。例如，I DSAT減少 3 倍可以通過(guò) R DS(on)增加 0.35 倍來(lái)實(shí)現(xiàn)。3 SCCL 還被證明不會(huì)降低器件的斷態(tài)性能。

Transphorm 在 400 V V DS下對(duì)其 650 V GaN HEMT 進(jìn)行了 50 次重復(fù) SC 測(cè)試，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài) R DS(on)等器件指標(biāo)沒(méi)有下降。SCWT 增加與相應(yīng) R DS(on)增加之間的權(quán)衡可以轉(zhuǎn)化為采用 SCCL 技術(shù)的同一器件的較低額定電流。如圖 2 所示，可對(duì) SCWT 為 0.3 μs 的 170 A、10 mΩ 器件進(jìn)行修改，以滿足額定值為 145 A 和 15 mΩ 的 5 μs SCWT。

03

SCWT 增加到 5 μs 會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗顯著增加，如 [1] 中所述。此處，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)行比較。數(shù)據(jù)是使用 Si8285 柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 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(jí)聯(lián) GaN 產(chǎn)品，采用三引線 TO-247 封裝。數(shù)據(jù)顯示了半橋升壓器在 50 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下將 240 V 電壓轉(zhuǎn)換為 400 V 的性能比較。在較高功率水平下，性能下降可能會(huì)很嚴(yán)重。

此比較所代表的示例可能過(guò)于保守。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 就足夠了。因此，這最大限度地減少了開(kāi)關(guān)損耗權(quán)衡。

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