電源開關(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)，例如電機驅(qū)動器。這些事件是由過載、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?shù)墓收蠙z測響應(yīng)時間約為 2s [2]，這個時間決定了電源開關(guān)所需的短路耐受時間 (SCWT) 額定值（即器件能夠耐受短路事件的最短時間，在源極和漏極端子之間施加高電壓和大電流。）

    圖 1. 三相電機驅(qū)動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，鑒于其固有屬性，這可能很難實現(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，當受到短路條件（同時出現(xiàn)高壓和高電流浪涌以及極端瞬時功率耗散）的影響時，GaN 器件可能會經(jīng)歷更陡峭的溫度上升，從而導(dǎo)致 SCWT 比硅基器件更短。

　　保護足夠，性能下降…… 性能足夠，保護下降研究 [3] 已證明，使用 600 V GaN 器件，可以在 400 V 下實現(xiàn) SCWT ≥ 3 s。然而，性能會受到影響，因為據(jù)報道，器件的歸一化 R on大于 20 Ω·mm (> 9 mΩ·cm 2 )，對于市場采用來說，這個值相當高。
　　市售的 600 V GaN 器件表現(xiàn)也好不到哪里去。在 400 V 下測試時，具有競爭性特定 R on的商用器件的 SCWT限制在 < 0.5s [4] [5]。因此，在保持具有競爭力的低特定導(dǎo)通電阻的同時增加 GaN 器件的 SCWT 是實現(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），方法是減少從漏極流向源極的短路電流，同時盡量減少導(dǎo)通電阻的下降。在雙芯片常關(guān)型 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)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：通過降低GaN-HEMT 的I d,sat 來增加 SCWT。
　　SCCL 是通過使用專有工藝沿 GaN-HEMT 寬度移除 2DEG 通道段，在 Transphorm 的核心技術(shù)上實現(xiàn)的。圖 3a 和圖 3b 分別顯示了標準 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。在孔徑中，2DEG 特性（電荷密度和遷移率）和場板結(jié)構(gòu)的夾斷電壓與標準器件相同?！　B' 截面是沿電流阻斷路徑截取的，顯示在場板結(jié)構(gòu)的有限部分下缺乏 2DEG。電流阻斷分段的正確設(shè)計（電流阻斷區(qū)域的長度、寬度和周期性）確保了對飽和電流的良好控制，同時保持了具有競爭力的低導(dǎo)通電阻。R on的有限增加是可能的，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，而該區(qū)域不受 SCCL 阻斷區(qū)的影響。事實上，要控制 I d,sat，只需在整個源極-漏極間距沿線的一小段長度部署電流阻斷即可。

　　圖 3. 雙芯片常閉 GaN 開關(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 是通過沿 GaN HEMT 寬度移除 2DEG 通道的各段來實現(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提供實驗結(jié)果　　將標準 GaN 器件 [8] 與具有 SCCL 的 GaN 器件進行了比較。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：當柵極完全開啟（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) 標準 650-V GaN 器件和 (b) 帶 SCCL 的 650-V GaN 器件的室溫輸出曲線。當柵極完全導(dǎo)通 (Vgs = +12 V) 時，標準器件的飽和電流 (I d,sat ) 超過 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明顯低于標準器件，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)不會降低場板介電隔離的質(zhì)量，因為與標準器件相比，650 V 關(guān)斷狀態(tài)漏電流沒有增加（圖 5b）。

　　圖 5. (a)在室溫下，導(dǎo)通狀態(tài) Id = 6 A 時獲得的 原始靜態(tài) R on。SCCL器件的 R on損失相對較小，為 +0.35x，因為電流塊僅部署在整個漏極-源極長度的短部分。 (b) 在室溫下，在 V ds = 650 V 時獲得的關(guān)斷狀態(tài)漏極漏電流。關(guān)斷狀態(tài)漏電流沒有增加，這表明 SCCL 技術(shù)不會降低場板電介質(zhì)隔離的質(zhì)量。圖片由Bodo's Power Systems提供

      圖 6. 短路測試板示意圖。

該板模擬硬開關(guān)故障，其中 DUT 直接接通故障，并經(jīng)歷其端子上的整個直流總線電壓 (400V)。圖片由 Bodo's Power Systems提供為了評估 SCWT 的改進效果，在最壞情況（稱為“硬開關(guān)故障”）的短路事件期間對設(shè)備進行了測試和比較，其中 DUT 直接接通故障，并且必須在整個短路脈沖持續(xù)時間內(nèi)承受全總線電壓。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。直流總線以 50 V 為增量逐步從 50 V 增加到 400 V。在每個步驟中，施加一個短路脈沖并記錄相關(guān)的短路波形。本文報告的測試均在室溫下進行。

　　結(jié)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，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 4 倍）證明了 SCCL 設(shè)計的概念驗證和成功實施。

　　圖 7. 室溫下在 (a) 標準 GaN 器件和 (b) 帶有 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 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 器件能夠在實際的開關(guān)應(yīng)用中具有高性能和高可靠性，進行了直流和短路測試以及動態(tài) R測試、電感開關(guān)測試和高溫反向偏置 (HTRB) 應(yīng)力測試。
　　使用 480 V 直流總線和 2 ?s 導(dǎo)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之間的相對增加量約為 +18%。這與標準設(shè)備中動態(tài)和靜態(tài) R on之間的相對增加量相似，表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會加劇電荷捕獲?！　∈褂?400 V 直流總線和 15 A 負載電流進行的電感開關(guān)測試（圖 8）表明，在開啟和關(guān)閉期間，一對 SCCL 器件具有與標準器件相似的 dv/dt（≥35 V/ns，Rg = 50 Ω，圖 9），這表明 SCCL 的低 I d,sat不會妨礙輸出電容 (C oss )的充電和放電。

　　圖 8. 電感開關(guān)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 下承受反向偏壓應(yīng)力 1000 小時。在 250 小時和 1,000 小時后，均未觀察到保險絲故障、漏電增加和相對較小的退化 R 參數(shù)（~5%）。參見圖 10。退化時的小參數(shù) R與在標準設(shè)備中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會引入任何額外的退化和/或故障機制。這對于 SCCL 技術(shù)未來的 JEDEC 和汽車認證來說是一個有希望的結(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。通過不斷優(yōu)化 SCCL 設(shè)計，可以進一步降低 Ron 損失。從包括動態(tài) Ron 測試、電感開關(guān)測試和 100 小時 HTRB 在內(nèi)的初始特性測試來看，SCCL 技術(shù)已證明具有與標準 Transphorm 技術(shù)類似的開關(guān)性能和可靠性

     圖 9. 標準器件和 SCCL 器件在電感負載電流約為 15 A 時獲得的 (a) 開啟瞬態(tài)和 (b) 關(guān)斷瞬態(tài)。SCCL 器件的 dv/dt 與標準器件相似，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 SCCL GaN 器件（80 個部件）上進行 150°C 和 520 V 的 1000 小時 HTRB 測試之前和之后測量的R on和漏極漏電。在 250 和 1000 小時后，我們均未觀察到保險絲故障、漏電增加，并且參數(shù) R on退化相對較?。▇5%）。較小的參數(shù) R on退化與在標準器件中觀察到的類似，因此表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會引入任何額外的退化和/或故障機制。圖片由Bodo's Power Systems提供