在工業(yè)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(tǒng)效率和功率密度，并提供其他優(yōu)勢，例如更少的可聽噪聲和更快的切換帶來的更精確的控制。在這些應用中，降低轉換損耗是實現(xiàn)凈零碳足跡以應對氣候變化的關鍵部分，因為電機驅動器占總用電量的 60%。在本文中，我們將討論氮化鎵 (GaN) HEMT 功率器件中的一個關鍵參數(shù)，即短路耐受時間 (SCWT)。

短路穩(wěn)健性

電機驅動器運行的惡劣環(huán)境可能導致故障條件(如逆變器擊穿和電機繞組絕緣擊穿)導致過電流。電源設備需要承受這些事件，直到保護感應電路觸發(fā)并關閉電機驅動器。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，導致溫度上升。

· 由于閾值電壓 (V th )下降，溫度升高可產生正反饋機制。這可與高 V DS導致的漏極感應勢壘降低相結合。

· 高電場和高溫會導致柵極和漏極漏電增加。如果器件在耐受時間內關閉，則影響是可以恢復的。

· 眾所周知，反復發(fā)生的 SC 事件會造成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(xiàn)柵極氧化物故障。

· 高溫會導致設備金屬層(如鋁)熔化。這些最終影響是災難性的，可能會導致系統(tǒng)故障。

SCWT 是衡量器件能夠承受短路事件的最短時間的關鍵指標。硅 IGBT 器件的額定 SCWT 通常超過 10 μs，而對于碳化硅 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。研究報告稱，在總線電壓為 400 V 的重復短路事件下，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 不佳的關鍵因素。

SC 檢測

柵極驅動器具有不同的短路檢測和控制方法。兩種常用的方法是：

· 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運行時會鉗制正向電壓。在短路事件下，該電壓會充電至觸發(fā)器件關斷的閾值電壓。充電時間(稱為消隱時間)受到控制，以防止開啟轉換導致誤觸發(fā)。

· 分流電阻：這種過流檢測的優(yōu)點是在整個溫度范圍內具有良好的精度，缺點是相關的功率損耗。

改進 GaN HEMT SCWT

Transphorm 擁有一項專利技術，稱為短路電流限制器 (SCCL)。該技術的目標是降低器件 I DSAT，這是通過使用專有工藝去除 2DEG 通道中的區(qū)域來實現(xiàn)的。因此，可以創(chuàng)建一個掩蔽的 SCCL 孔徑，指示有源 2DEG 區(qū)域，從而根據(jù)客戶需求使用標準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 GaN HEMT 中的 SCWT 改進

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

Transphorm 已在 V DS為 400 V的情況下對其 650 V GaN HEMT 進行了 50 次重復 SC 測試，未發(fā)現(xiàn)器件指標(如動態(tài) R DS(on))有任何下降。SCWT 增加與相應的 R DS(on)增加之間的權衡可以轉化為使用 SCCL 技術時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 會導致開關損耗顯著增加。這里，將標準器件與經(jīng)過修改以實現(xiàn) 5 μs SCWT 的器件進行了比較。數(shù)據(jù)是使用 Si8285 柵極驅動器(驅動 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 的級聯(lián) GaN 產品，采用三引線 TO-247 封裝。數(shù)據(jù)顯示了半橋升壓在 50 kHz 下切換時將 240 V 轉換為 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。

這個比較代表了一個可能過于保守的例子。Si8285 等商用柵極驅動器可以在不到 1.2 μs 的時間內實現(xiàn)關斷檢測。因此，2–3 μs 的 SCWT 應該足夠了。因此，這最大限度地減少了開關損耗權衡。

Transphorm 在其 GaN HEMT 器件中采用 SCCL 技術，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 HTRB 應力在關鍵器件指標(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。