足夠的故障檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間約為 2 s [2]，該時(shí)間決定了電源開關(guān)所需的短路承受時(shí)間 (SCWT) 額定值（即設(shè)備可以承受短路事件的短時(shí)間） ，在源極端子和漏極端子之間施加高電壓和高電流。）

　　圖 1. 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中采用的功率器件，顯示了兩種短路情況：(a) 高側(cè)和低側(cè)之間的直通，以及 (b) 感性負(fù)載上的短路。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　為了支持高壓 GaN FET 的持續(xù)采用，確保高 SCWT 非常重要。不過，考慮到它們的固有屬性，這可能很困難。與傳統(tǒng)硅器件相比，GaN FET 以及其他寬帶隙器件可以在更小的面積內(nèi)提供更高的功率密度。因此，當(dāng)遇到短路條件（同時(shí)出現(xiàn)高電壓和高電流浪涌以及極端瞬時(shí)功耗）時(shí)，GaN 器件可能會(huì)經(jīng)歷更急劇的溫度上升，從而導(dǎo)致 SCWT 比硅基器件更短。
　　保護(hù)足夠，性能降低……性能足夠，保護(hù)降低
　　研究已證明使用 600 V GaN 器件在 400 V 電壓下實(shí)現(xiàn) SCWT ≥ 3 s 的能力 [3]。然而，由于的器件歸一化 R on大于 20 Ω·mm (> 9 mΩ·cm 2 )，因此性能受到影響，對(duì)于市場(chǎng)采用而言，該值相當(dāng)高。
　　商用 600 V GaN 器件的表現(xiàn)也好不到哪里去。在 400 V 下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，具有競(jìng)爭(zhēng)性特定 R on的商業(yè)器件的 SCWT被限制為 < 0.5 s [4] [5]。因此，增加 GaN 器件的 SCWT，同時(shí)保持具有競(jìng)爭(zhēng)力的低比導(dǎo)通電阻，對(duì)于在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)短路能力至關(guān)重要。
　　解決方案：短路限流器

　　使用稱為短路電流限制器 (SCCL) 的技術(shù) [6] [7]（圖 2），可以通過減少短路電流來控制短路事件期間的功耗（保持在較低水平）從漏極到源極，導(dǎo)通電阻的降低。在兩芯片常關(guān) GaN 平臺(tái)中，可以通過控制 Si-FET 的飽和電流 (I d,sat ) 或 GaN-HEMT 的飽和電流來實(shí)現(xiàn)更低的短路電流和更高的 SCWT 。

　　圖 2. 獲得的短路電流限制器 (SCCL) 可降低漏源飽和電流 (I )，從而增加器件的 SCWT，同時(shí)保持較低的通態(tài)電阻。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　出于分析目的，進(jìn)行了后者：通過降低GaN-HEMT 的I d,sat 來增加 SCWT。
　　SCCL 是在 Transphorm 的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的，通過使用專有工藝去除沿 GaN-HEMT 寬度的 2DEG 通道片段。標(biāo)準(zhǔn) GaN-HEMT 和帶有 SCCL 的 GaN-HEMT 的頂視圖分別如圖 3a 和圖 3b 所示。SCCL 裝置的縱向橫截面如圖 3c 和圖 3d 所示。AA' 截面是沿著電流孔徑路徑截取的，其中 2DEG 從源極到漏極不間斷，電子可以在導(dǎo)通狀態(tài)下流動(dòng)。在孔徑中，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的 2DEG 特性（電荷密度和遷移率）和夾斷電壓與標(biāo)準(zhǔn)器件相同。

　　截面 BB' 是沿著電流阻擋路徑截取的，顯示在場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的有限部分下缺乏 2DEG。電流阻擋分段（電流阻擋區(qū)域的長度、寬度和周期性）的正確設(shè)計(jì)確保了對(duì)飽和電流的良好控制，同時(shí)保持具有競(jìng)爭(zhēng)力的低導(dǎo)通電阻。R on的增加是可能的，因?yàn)?R on主要由 GaN-HEMT 漏極接入?yún)^(qū)（相當(dāng)于傳統(tǒng)功率器件中的“漂移區(qū)”）決定，而不受 SCCL 阻擋區(qū)的影響。事實(shí)上，為了控制I d,sat，僅沿著整個(gè)源極-漏極間距以小長度部署電流塊就足夠了。

　　圖 3. 兩芯片常關(guān) GaN 開關(guān)的俯視圖（a）不帶短路電流限制器（SCCL），（b）帶短路電流限制器 (SCCL)。SCCL 是通過沿著 GaN HEMT 的寬度去除 2DEG 溝道的片段來實(shí)現(xiàn)的。沿具有 (c) 當(dāng)前孔徑和 (d) 當(dāng)前塊的路徑截取的縱向橫截面。附圖并非按比例繪制。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將標(biāo)準(zhǔn) GaN 器件 [8] 與具有 SCCL 的 GaN 器件進(jìn)行了比較。兩款器件具有相同的芯片面積、相同的 650 V 額定電壓，并采用 8x8 mm PQFN 封裝。

　　圖 4 顯示了室溫輸出特性：當(dāng)柵極完全導(dǎo)通 (Vgs = +12 V) 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器件的平均靜態(tài) R on為 53 mΩ，飽和電流 (I d,sat ) 超過 120 A ，而采用 SCCL 的器件的平均靜態(tài)導(dǎo)通電阻為71 mΩ，并且 I d,sat顯著降低為 42 A。借助 SCCL 技術(shù)，我們能夠?qū)?I d,sat 降低 3 倍，而電流消耗僅為 0.35 x 靜態(tài)導(dǎo)通電阻增加（圖 5a）。
　　圖 4. (a) 標(biāo)準(zhǔn) 650-V GaN 器件和 (b) 采用 SCCL 的 650-V GaN 器件的室溫輸出曲線。當(dāng)柵極完全導(dǎo)通 (Vgs = +12 V) 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器件的飽和電流 (I d,sat ) 超過 120 A，而具有 SCCL 的器件的 I d,sat明顯較低，為 42 A。 I d,sat降低了 3 倍。導(dǎo)通電阻僅增加 0.35 倍。圖片由 Bodo's Power Systems提供

　　值得注意的是，盡管 SCCL 器件的 I d,sat明顯低于標(biāo)準(zhǔn)器件，但 SCCL I d,sat仍比額定直流電流（室溫下 20 A）高 2 倍以上。這不僅對(duì)于確保良好的導(dǎo)通狀態(tài)操作非常重要，而且對(duì)于導(dǎo)通瞬態(tài)期間輸出電容 (C oss ) 的快速開關(guān)和快速放電也很重要。，SCCL 技術(shù)不會(huì)降低場(chǎng)板電介質(zhì)隔離的質(zhì)量，因?yàn)橄鄬?duì)于標(biāo)準(zhǔn)器件，未觀察到 650 V 斷態(tài)漏電流增加（圖 5b）。

　　圖 5.  (a) 在室溫下獲取的原始靜態(tài) R on，導(dǎo)通狀態(tài) Id = 6 A。SCCL 器件的 R on懲罰相對(duì)較小，為 +0.35x，因?yàn)楫?dāng)前模塊僅部署在較短的部分中整個(gè)漏源長度。(b)室溫下V ds = 650 V時(shí)獲得的斷態(tài)漏極漏電流。斷態(tài)泄漏沒有增加表明 SCCL 技術(shù)不會(huì)降低場(chǎng)板電介質(zhì)隔離的質(zhì)量。

　　圖 6. 短路測(cè)試板示意圖。該板模擬硬開關(guān)故障，其中 DUT 直接在出現(xiàn)故障時(shí)開啟，并在其端子上承受整個(gè)直流總線電壓 (400V)。

　　為了評(píng)估 SCWT 的改進(jìn)，在稱為“硬開關(guān)故障”的壞情況下，在短路事件期間對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試，并比較了使用 SCCL 和不使用 SCCL 的情況，其中 DUT 直接在出現(xiàn)故障時(shí)開啟，并且必須承受短路脈沖的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的全總線電壓。短路測(cè)試板如圖 6 所示。在測(cè)試期間，通過完全打開柵極 3 s 來模擬短路事件。直流總線從 50 V 逐步增加到 400 V，增量為 50 V。在每一步中，施加一個(gè)短路脈沖并記錄相關(guān)的短路波形。這項(xiàng)工作中的測(cè)試是在室溫下進(jìn)行的。

　　結(jié)果如圖 7 所示。標(biāo)準(zhǔn)器件的短路電流為 180 A，在直流總線電壓僅為 100 V 時(shí) 3 s 后失效，而 SCCL 器件的短路電流要低得多 (50 A)，并且能夠承受 400 V 電壓下的 3 s 脈沖。短路魯棒性的顯著提高（超過 4 倍）證明了 SCCL 設(shè)計(jì)的概念驗(yàn)證和成功實(shí)施。

　　圖 7. 在室溫下在 (a) 標(biāo)準(zhǔn) GaN 器件和 (b) 采用 SCCL 的 GaN 器件上采集的 3 s 短路脈沖。標(biāo)準(zhǔn)器件的短路電流為 180 A，在 100 V 的直流母線電壓下出現(xiàn)故障，而 SCCL 的短路電流低得多 (50 A)，并能承受 400 V 下的 3 s 脈沖。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　為了確保 SCCL 器件能夠在實(shí)際開關(guān)應(yīng)用中以高性能和高可靠性運(yùn)行，我們進(jìn)行了直流和短路測(cè)試以及動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試、電感開關(guān)測(cè)試和高溫反向偏置 (HTRB) 壓力測(cè)試。執(zhí)行。
　　使用 480 V 直流母線和 2 s 導(dǎo)通脈沖寬度進(jìn)行的動(dòng)態(tài) R on測(cè)試表明，動(dòng)態(tài)和靜態(tài) R on之間的相對(duì)增量約為 +18%。這與標(biāo)準(zhǔn)器件中動(dòng)態(tài)和靜態(tài) R on之間的相對(duì)增加類似，表明 SCCL 阻擋區(qū)域不會(huì)加劇電荷捕獲。

　　使用 400 V 直流母線和 15 A 負(fù)載電流進(jìn)行的感應(yīng)開關(guān)測(cè)試（圖 8）表明，在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，這對(duì) SCCL 器件的 dv/dt 與標(biāo)準(zhǔn)器件（≥35 V/ns，Rg = 50 Ω，圖 9），表明 SCCL 的低 I d,sat不會(huì)妨礙輸出電容 (C oss ) 的充電和放電。

　　圖 8. 感應(yīng)開關(guān)測(cè)試板原理圖。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　在 HTRB 測(cè)試期間，80 個(gè)部件在 150°C 和 520 V 的條件下承受反向偏壓 1000 小時(shí)。250 小時(shí)和 1,000 小時(shí)后，沒有觀察到熔斷器故障、泄漏沒有增加，并且退化參數(shù) R 相對(duì)較?。s 5%）。請(qǐng)參見圖 10。退化時(shí)的小參數(shù) R與標(biāo)準(zhǔn)器件中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻塞區(qū)域不會(huì)引入任何額外的退化和/或故障機(jī)制。對(duì)于 SCCL 技術(shù)的未來 JEDEC 和汽車資格來說，這是一個(gè)充滿希望的結(jié)果。
　　結(jié)論

　　事實(shí)證明，SCCL 是一種高性能、高可靠性的解決方案，可將 GaN 功率器件的 SCWT 在 400 V 下提高至 3 s，同時(shí)導(dǎo)通電阻的增加有限。SCCL 將短路電流降低了 3 倍以上，并將短路穩(wěn)健性提高了 4 倍以上。截至目前，導(dǎo)通電阻的損失僅限于 0.35 倍。通過不斷優(yōu)化 SCCL 設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步減少 Ron 懲罰。從包括動(dòng)態(tài) Ron 測(cè)試、電感開關(guān)測(cè)試和 100 小時(shí) HTRB 在內(nèi)的初始表征活動(dòng)來看，SCCL 技術(shù)已證明具有與標(biāo)準(zhǔn) Transphorm 技術(shù)類似的開關(guān)性能和可靠性

　　圖 9. 標(biāo)準(zhǔn)器件和 SCCL 器件在約 15 A 的感性負(fù)載電流下采集的 (a) 開通瞬態(tài)和 (b) 關(guān)斷瞬態(tài)。SCCL 器件具有與標(biāo)準(zhǔn)器件相似的 dv/dt，表明 SCCL 的低 I d,sat不會(huì)妨礙輸出電容 (C oss ) 的充電和放電。圖片由 Bodo's Power Systems提供

　　圖 10. 在150°C 和 520 V 的 SCCL GaN 器件（80 個(gè)部件）上進(jìn)行 1000 小時(shí) HTRB 測(cè)試之前和之后測(cè)量的導(dǎo)通電阻和漏極泄漏。250 小時(shí)和 1000 小時(shí)后，我們觀察到?jīng)]有保險(xiǎn)絲故障，沒有泄漏增加，并且退化參數(shù) R 相對(duì)較?。s 5%）。退化時(shí)的小參數(shù) R與標(biāo)準(zhǔn)器件中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻塞區(qū)域不會(huì)引入任何額外的退化和/或故障機(jī)制。