改善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)功率器件可以显着提高系统效率和功率密度，并提供其他优势，例如可闻噪声更少，开关速度更快，控制更精确。这些应用中较低的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)。

 

01

短路鲁棒性

 

电机驱动器运行的恶劣环境可能会因逆变器击穿和电机绕组绝缘击穿等故障情况而导致过流水平。功率器件需要在保护检测电路触发和关闭电机驱动所需的时间内承受这些事件。SC 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。这种情况下流动的电流就是器件的饱和电流(I dsat )。

 

电流密度通常呈现尖峰，导致温度升高。

 

由于阈值电压 (V th )降低，温度升高会产生正反馈机制。这可以与由于高 V ds导致的漏极诱导势垒降低相结合。

 

高电场和升高的温度会导致栅极和漏极泄漏增加。如果在耐受时间内关闭设备，效果可以恢复。

 

众所周知，重复的 SC 事件会产生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失效的情况。

 

高温可能导致器件金属层(例如铝)熔化。最后这些影响是灾难性的，可能导致系统故障。

 

SCWT 是一个关键指标，用于衡量设备能够承受 SC 事件的最短时间。硅 IGBT 器件的 SCWT 额定值通常超过 10 µs，而碳化硅 MOSFET 的额定值要低得多，约为 3–5 µs。WBG 器件通常在较高的功率密度下运行，因此在 SC 条件下会表现出更陡峭的温升。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 400 V 总线电压下重复 SC 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 不良的关键因素。

02

栅极驱动器有不同的短路检测和控制方法。两种常用的方法是：

 

1、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工作时钳位正向电压。在 SC 事件下，该电压被充电至触发器件关闭的阈值电压。充电时间(称为消隐时间)受到控制，以防止开启转换时的误触发。

 

2、分流电阻：这种过流检测的优点是在整个温度范围内精度良好，但缺点是相关的功率损耗。

改进 GaN HEMT SCWT

 

Transphorm 拥有一项名为短路限流器 (SCCL) 的专利技术。这里的目标是减少器件 ID 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，可以使用标准晶圆厂处理根据客户需求创建指示有源 2DEG 区域的屏蔽 SCCL 孔径，从而减少器件的有源区域。如图 1 所示。

 

图1：用于改进 GaN HEMT 中 SCWT 的 SCCL 方法

 

利用SCCL概念，可以通过按比例较小地增加器件R DS(on)来实现I DSAT的显着降低。例如，I DSAT减少 3 倍可以通过 R DS(on)增加 0.35 倍来实现。3 SCCL 还被证明不会降低器件的断态性能。

 

Transphorm 在 400 V V DS下对其 650 V GaN HEMT 进行了 50 次重复 SC 测试，发现动态 R DS(on)等器件指标没有下降。SCWT 增加与相应 R DS(on)增加之间的权衡可以转化为采用 SCCL 技术的同一器件的较低额定电流。如图 2 所示，可对 SCWT 为 0.3 µs 的 170 A、10 mΩ 器件进行修改，以满足额定值为 145 A 和 15 mΩ 的 5 µs SCWT。

 

图2：使用 SCCL 将 GaN HEMT SCWT 提高到 5 µs，并降低额定值

 

03

SCWT 增加到 5 µs 会导致开关损耗显着增加，如 [1] 中所述。此处，将标准器件与经过修改以实现 5 µs SCWT 的器件进行比较。数据是使用 Si8285 栅极驱动器驱动 0-12 V 栅极电压并使用栅极电阻器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器在 50 kHz 开关频率下将 240 V 电压转换为 400 V 的性能比较。在较高功率水平下，性能下降可能会很严重。

 

此比较所代表的示例可能过于保守。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 就足够了。因此，这最大限度地减少了开关损耗权衡。

 

Transphorm 凭借其 GaN HEMT 器件中使用的 SCCL 技术，展示了良好的高温反向偏压 (HTRB) 可靠性。175 ° C、520V、1,000 小时的 HTRB 应力在 Rds(on)、栅极和漏极泄漏以及 Vth等关键器件指标上表现出微不足道的变化。