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

　　圖 1. 三相電機驅(qū)動方案中采用的功率器件，顯示了兩種短路情況：(a) 高側和低側之間的直通，以及 (b) 感性負載上的短路。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，當遇到短路條件（同時出現(xiàn)高電壓和高電流浪涌以及極端瞬時功耗）時，GaN 器件可能會經(jīng)歷更急劇的溫度上升，從而導致 SCWT 比硅基器件更短。
　　保護足夠，性能降低……性能足夠，保護降低
　　研究已證明使用 600 V GaN 器件在 400 V 電壓下實現(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，對于市場采用而言，該值相當高。
　　商用 600 V GaN 器件的表現(xiàn)也好不到哪里去。在 400 V 下進行測試時，具有競爭性特定 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，同時保持具有競爭力的低比導通電阻，對于在不影響性能的情況下實現(xiàn)短路能力至關重要。
　　解決方案：短路限流器

　　使用稱為短路電流限制器 (SCCL) 的技術 [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，導通電阻的降低。在兩芯片常關 GaN 平臺中，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 的技術上實現(xiàn)的，通過使用專有工藝去除沿 GaN-HEMT 寬度的 2DEG 通道片段。標準 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，電子可以在導通狀態(tài)下流動。在孔徑中，場板結構的 2DEG 特性（電荷密度和遷移率）和夾斷電壓與標準器件相同。

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

　　圖 3. 兩芯片常關 GaN 開關的俯視圖（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 溝道的片段來實現(xiàn)的。沿具有 (c) 當前孔徑和 (d) 當前塊的路徑截取的縱向橫截面。附圖并非按比例繪制。
　　實驗結果

　　將標準 GaN 器件 [8] 與具有 SCCL 的 GaN 器件進行了比較。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：當柵極完全導通 (Vgs = +12 V) 時，標準器件的平均靜態(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)導通電阻為71 mΩ，并且 I d,sat顯著降低為 42 A。借助 SCCL 技術，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)導通電阻增加（圖 5a）。
　　圖 4. (a) 標準 650-V GaN 器件和 (b) 采用 SCCL 的 650-V GaN 器件的室溫輸出曲線。當柵極完全導通 (Vgs = +12 V) 時，標準器件的飽和電流 (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明顯低于標準器件，但 SCCL I d,sat仍比額定直流電流（室溫下 20 A）高 2 倍以上。這不僅對于確保良好的導通狀態(tài)操作非常重要，而且對于導通瞬態(tài)期間輸出電容 (C oss ) 的快速開關和快速放電也很重要。，SCCL 技術不會降低場板電介質(zhì)隔離的質(zhì)量，因為相對于標準器件，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，導通狀態(tài) Id = 6 A。SCCL 器件的 R on懲罰相對較小，為 +0.35x，因為當前模塊僅部署在較短的部分中整個漏源長度。(b)室溫下V ds = 650 V時獲得的斷態(tài)漏極漏電流。斷態(tài)泄漏沒有增加表明 SCCL 技術不會降低場板電介質(zhì)隔離的質(zhì)量。

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

　　為了評估 SCWT 的改進，在稱為“硬開關故障”的壞情況下，在短路事件期間對器件進行了測試，并比較了使用 SCCL 和不使用 SCCL 的情況，其中 DUT 直接在出現(xiàn)故障時開啟，并且必須承受短路脈沖的整個持續(xù)時間內(nèi)的全總線電壓。短路測試板如圖 6 所示。在測試期間，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，施加一個短路脈沖并記錄相關的短路波形。這項工作中的測試是在室溫下進行的。

　　結果如圖 7 所示。標準器件的短路電流為 180 A，在直流總線電壓僅為 100 V 時 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 設計的概念驗證和成功實施。

　　圖 7. 在室溫下在 (a) 標準 GaN 器件和 (b) 采用 SCCL 的 GaN 器件上采集的 3 s 短路脈沖。標準器件的短路電流為 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 器件能夠在實際開關應用中以高性能和高可靠性運行，我們進行了直流和短路測試以及動態(tài)導通電阻測試、電感開關測試和高溫反向偏置 (HTRB) 壓力測試。執(zhí)行。
　　使用 480 V 直流母線和 2 s 導通脈沖寬度進行的動態(tài) R on測試表明，動態(tài)和靜態(tài) R on之間的相對增量約為 +18%。這與標準器件中動態(tài)和靜態(tài) R on之間的相對增加類似，表明 SCCL 阻擋區(qū)域不會加劇電荷捕獲。

　　使用 400 V 直流母線和 15 A 負載電流進行的感應開關測試（圖 8）表明，在導通和關斷期間，這對 SCCL 器件的 dv/dt 與標準器件（≥35 V/ns，Rg = 50 Ω，圖 9），表明 SCCL 的低 I d,sat不會妨礙輸出電容 (C oss ) 的充電和放電。

　　圖 8. 感應開關測試板原理圖。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　在 HTRB 測試期間，80 個部件在 150°C 和 520 V 的條件下承受反向偏壓 1000 小時。250 小時和 1,000 小時后，沒有觀察到熔斷器故障、泄漏沒有增加，并且退化參數(shù) R 相對較?。s 5%）。請參見圖 10。退化時的小參數(shù) R與標準器件中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻塞區(qū)域不會引入任何額外的退化和/或故障機制。對于 SCCL 技術的未來 JEDEC 和汽車資格來說，這是一個充滿希望的結果。
　　結論

　　事實證明，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，同時導通電阻的增加有限。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，導通電阻的損失僅限于 0.35 倍。通過不斷優(yōu)化 SCCL 設計可以進一步減少 Ron 懲罰。從包括動態(tài) Ron 測試、電感開關測試和 100 小時 HTRB 在內(nèi)的初始表征活動來看，SCCL 技術已證明具有與標準 Transphorm 技術類似的開關性能和可靠性

　　圖 9. 標準器件和 SCCL 器件在約 15 A 的感性負載電流下采集的 (a) 開通瞬態(tài)和 (b) 關斷瞬態(tài)。SCCL 器件具有與標準器件相似的 dv/dt，表明 SCCL 的低 I d,sat不會妨礙輸出電容 (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 個部件）上進行 1000 小時 HTRB 測試之前和之后測量的導通電阻和漏極泄漏。250 小時和 1000 小時后，我們觀察到?jīng)]有保險絲故障，沒有泄漏增加，并且退化參數(shù) R 相對較小（約 5%）。退化時的小參數(shù) R與標準器件中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻塞區(qū)域不會引入任何額外的退化和/或故障機制。