電源開(kāi)關(guān)的短路能力是所有電源系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，尤其是那些更容易發(fā)生短路事件的系統(tǒng)，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些事件是由過(guò)載、擊穿、電流浪涌和/或外部故障條件引起的（圖 1）[1]，需要快速檢測(cè)故障并安全關(guān)閉電源設(shè)備，以防止發(fā)生災(zāi)難性故障?！　∵m當(dāng)?shù)墓收蠙z測(cè)響應(yīng)時(shí)間約為 2s [2]，這個(gè)時(shí)間決定了電源開(kāi)關(guān)所需的短路耐受時(shí)間 (SCWT) 額定值（即器件能夠耐受短路事件的最短時(shí)間，在源極和漏極端子之間施加高電壓和大電流。）

    圖 1. 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中使用的功率器件，顯示兩種短路情況：(a) 高端和低端之間的擊穿和 (b) 電感負(fù)載之間的短路。圖片由 Bodo's Power Systems提供

    為了支持高壓 GaN FET 的持續(xù)采用，確保較高的 SCWT 非常重要。不過(guò)，鑒于其固有屬性，這可能很難實(shí)現(xiàn)。GaN FET 以及其他寬帶隙器件在較小的面積上提供比傳統(tǒng)硅器件高得多的功率密度。因此，當(dāng)受到短路條件（同時(shí)出現(xiàn)高壓和高電流浪涌以及極端瞬時(shí)功率耗散）的影響時(shí)，GaN 器件可能會(huì)經(jīng)歷更陡峭的溫度上升，從而導(dǎo)致 SCWT 比硅基器件更短。

　　保護(hù)足夠，性能下降…… 性能足夠，保護(hù)下降研究 [3] 已證明，使用 600 V GaN 器件，可以在 400 V 下實(shí)現(xiàn) SCWT ≥ 3 s。然而，性能會(huì)受到影響，因?yàn)閾?jù)報(bào)道，器件的歸一化 R on大于 20 Ω·mm (> 9 mΩ·cm 2 )，對(duì)于市場(chǎng)采用來(lái)說(shuō)，這個(gè)值相當(dāng)高。
　　市售的 600 V GaN 器件表現(xiàn)也好不到哪里去。在 400 V 下測(cè)試時(shí)，具有競(jìng)爭(zhēng)性特定 R on的商用器件的 SCWT限制在 < 0.5s [4] [5]。因此，在保持具有競(jìng)爭(zhēng)力的低特定導(dǎo)通電阻的同時(shí)增加 GaN 器件的 SCWT 是實(shí)現(xiàn)短路能力而不影響性能的關(guān)鍵。
　　解決方案：短路電流限制器　　使用專利技術(shù) [6] [7] 短路電流限制器 (SCCL)（圖 2），可以控制短路事件期間的功耗（保持在較低水平），方法是減少?gòu)穆O流向源極的短路電流，同時(shí)盡量減少導(dǎo)通電阻的下降。在雙芯片常關(guān)型 GaN 平臺(tái)中，可以通過(guò)控制 Si-FET 的飽和電流 (I d,sat ) 或 GaN-HEMT 的飽和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的短路電流和較高的 SCWT。

　　圖 2. 專利短路電流限制器 (SCCL) 的作用是降低漏源飽和電流 (I )，從而增加器件的 SCWT，同時(shí)保持低導(dǎo)通電阻。圖片由 Bodo's Power Systems提供為了分析的目的，執(zhí)行了后者：通過(guò)降低GaN-HEMT 的I d,sat 來(lái)增加 SCWT。
　　SCCL 是通過(guò)使用專有工藝沿 GaN-HEMT 寬度移除 2DEG 通道段，在 Transphorm 的核心技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的。圖 3a 和圖 3b 分別顯示了標(biāo)準(zhǔn) GaN-HEMT 和帶有 SCCL 的 GaN-HEMT 的頂視圖。圖 3c 和圖 3d 顯示了 SCCL 器件的縱向橫截面。AA' 截面沿電流孔徑路徑截取，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，2DEG 特性（電荷密度和遷移率）和場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的夾斷電壓與標(biāo)準(zhǔn)器件相同。　　BB' 截面是沿電流阻斷路徑截取的，顯示在場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的有限部分下缺乏 2DEG。電流阻斷分段的正確設(shè)計(jì)（電流阻斷區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和周期性）確保了對(duì)飽和電流的良好控制，同時(shí)保持了具有競(jìng)爭(zhēng)力的低導(dǎo)通電阻。R on的有限增加是可能的，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，而該區(qū)域不受 SCCL 阻斷區(qū)的影響。事實(shí)上，要控制 I d,sat，只需在整個(gè)源極-漏極間距沿線的一小段長(zhǎng)度部署電流阻斷即可。

　　圖 3. 雙芯片常閉 GaN 開(kāi)關(guān)的頂視圖（a）不帶專利短路限流器 (SCCL)，（b）帶專利短路限流器。SCCL 是通過(guò)沿 GaN HEMT 寬度移除 2DEG 通道的各段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。沿路徑截取的縱向橫截面，（c）為電流孔徑，（d）為電流阻斷器。圖紙未按比例繪制。圖片由 Bodo's Power Systems提供實(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。兩種器件具有相同的芯片面積，具有相同的 650 V 額定值，并采用 8x8 mm PQFN 封裝。

　　圖 4 顯示了室溫輸出特性：當(dāng)柵極完全開(kāi)啟（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(guò) 120 A，而具有 SCCL 的器件的平均靜態(tài) R on為 71 mΩ，I d,sat明顯較低，為 42 A。借助 SCCL 技術(shù)，我們能夠?qū)?I d,sat 降低 3 倍，而靜態(tài)導(dǎo)通電阻僅增加 0.35 倍（圖 5a）。

　　圖 4. (a) 標(biāo)準(zhǔn) 650-V GaN 器件和 (b) 帶 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(guò) 120 A，而帶 SCCL 的器件的 I d,sat明顯較低，為 42 A。I d,sat降低了 3 倍，而導(dǎo)通電阻僅增加了 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仍比最大額定直流電流（室溫下為 20 A）高出 2 倍以上。這對(duì)于確保良好的導(dǎo)通狀態(tài)操作以及導(dǎo)通瞬態(tài)期間輸出電容 (C oss ) 的快速切換和快速放電非常重要。最后，SCCL 技術(shù)不會(huì)降低場(chǎng)板介電隔離的質(zhì)量，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)器件相比，650 V 關(guān)斷狀態(tài)漏電流沒(méi)有增加（圖 5b）。

　　圖 5. (a)在室溫下，導(dǎo)通狀態(tài) Id = 6 A 時(shí)獲得的 原始靜態(tài) R on。SCCL器件的 R on損失相對(duì)較小，為 +0.35x，因?yàn)殡娏鲏K僅部署在整個(gè)漏極-源極長(zhǎng)度的短部分。 (b) 在室溫下，在 V ds = 650 V 時(shí)獲得的關(guān)斷狀態(tài)漏極漏電流。關(guān)斷狀態(tài)漏電流沒(méi)有增加，這表明 SCCL 技術(shù)不會(huì)降低場(chǎng)板電介質(zhì)隔離的質(zhì)量。圖片由Bodo's Power Systems提供

      圖 6. 短路測(cè)試板示意圖。

該板模擬硬開(kāi)關(guān)故障，其中 DUT 直接接通故障，并經(jīng)歷其端子上的整個(gè)直流總線電壓 (400V)。圖片由 Bodo's Power Systems提供為了評(píng)估 SCWT 的改進(jìn)效果，在最壞情況（稱為“硬開(kāi)關(guān)故障”）的短路事件期間對(duì)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試和比較，其中 DUT 直接接通故障，并且必須在整個(gè)短路脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)承受全總線電壓。短路測(cè)試板如圖 6 所示。在測(cè)試期間，通過(guò)完全打開(kāi)柵極 3 ?s 來(lái)模擬短路事件。直流總線以 50 V 為增量逐步從 50 V 增加到 400 V。在每個(gè)步驟中，施加一個(gè)短路脈沖并記錄相關(guān)的短路波形。本文報(bào)告的測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。

　　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)，3s 后失效，而 SCCL 器件的短路電流要低得多（50 A），并且在 400 V 電壓下可承受 3 ?s 脈沖。短路穩(wěn)健性的顯著提高（超過(guò) 4 倍）證明了 SCCL 設(shè)計(jì)的概念驗(yàn)證和成功實(shí)施。

　　圖 7. 室溫下在 (a) 標(biāo)準(zhǔn) GaN 器件和 (b) 帶有 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 直流總線電壓下失效，而 SCCL 的短路電流 (50 A) 要低得多，并且在 400 V 下能承受 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)際的開(kāi)關(guān)應(yīng)用中具有高性能和高可靠性，進(jìn)行了直流和短路測(cè)試以及動(dòng)態(tài) R測(cè)試、電感開(kāi)關(guān)測(cè)試和高溫反向偏置 (HTRB) 應(yīng)力測(cè)試。
　　使用 480 V 直流總線和 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)增加量約為 +18%。這與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中動(dòng)態(tài)和靜態(tài) R on之間的相對(duì)增加量相似，表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會(huì)加劇電荷捕獲?！　∈褂?400 V 直流總線和 15 A 負(fù)載電流進(jìn)行的電感開(kāi)關(guān)測(cè)試（圖 8）表明，在開(kāi)啟和關(guān)閉期間，一對(duì) SCCL 器件具有與標(biāo)準(zhǔn)器件相似的 dv/dt（≥35 V/ns，Rg = 50 Ω，圖 9），這表明 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. 電感開(kāi)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 下承受反向偏壓應(yīng)力 1000 小時(shí)。在 250 小時(shí)和 1,000 小時(shí)后，均未觀察到保險(xiǎn)絲故障、漏電增加和相對(duì)較小的退化 R 參數(shù)（~5%）。參見(jiàn)圖 10。退化時(shí)的小參數(shù) R與在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會(huì)引入任何額外的退化和/或故障機(jī)制。這對(duì)于 SCCL 技術(shù)未來(lái)的 JEDEC 和汽車認(rèn)證來(lái)說(shuō)是一個(gè)有希望的結(jié)果。
　　結(jié)論　　SCCL 被證明是一種高性能、高可靠性的解決方案，可將 GaN 功率器件的 SCWT 改善至 400 V 下的 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)定性提高了 4 倍以上。截至目前，導(dǎo)通電阻的損失被限制在 0.35 倍。通過(guò)不斷優(yōu)化 SCCL 設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低 Ron 損失。從包括動(dòng)態(tài) Ron 測(cè)試、電感開(kāi)關(guān)測(cè)試和 100 小時(shí) HTRB 在內(nèi)的初始特性測(cè)試來(lái)看，SCCL 技術(shù)已證明具有與標(biāo)準(zhǔn) Transphorm 技術(shù)類似的開(kāi)關(guān)性能和可靠性

     圖 9. 標(biāo)準(zhǔn)器件和 SCCL 器件在電感負(fù)載電流約為 15 A 時(shí)獲得的 (a) 開(kāi)啟瞬態(tài)和 (b) 關(guān)斷瞬態(tài)。SCCL 器件的 dv/dt 與標(biāo)準(zhǔn)器件相似，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 SCCL GaN 器件（80 個(gè)部件）上進(jìn)行 150°C 和 520 V 的 1000 小時(shí) HTRB 測(cè)試之前和之后測(cè)量的R on和漏極漏電。在 250 和 1000 小時(shí)后，我們均未觀察到保險(xiǎn)絲故障、漏電增加，并且參數(shù) R on退化相對(duì)較?。▇5%）。較小的參數(shù) R on退化與在標(biāo)準(zhǔn)器件中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會(huì)引入任何額外的退化和/或故障機(jī)制。圖片由Bodo's Power Systems提供