前言
GaN器件的商用為電力變換器技術(shù)具有重要的意義，目前650V GaN器件已廣泛使用在電源適配、充電器、通信電源等領(lǐng)域，由于具備低導(dǎo)通電阻和高開關(guān)頻率，能有效地提高電源的功率密度和效率、減小其體積。目前GaN的發(fā)展已實現(xiàn)1200V的高壓應(yīng)用場合，主要應(yīng)用于汽車行業(yè)及高端行業(yè)，其電壓等級主要集中于900V及以下。盡管GaN具有諸多的優(yōu)勢，但其劣勢也十分明顯，就是其較低的短路電流耐受能力，這也是制約其發(fā)展的一個重要因素。目前已有許多學(xué)者就提高GaN的短路電流耐受能力作出了相關(guān)研究并取得了相應(yīng)的研究成果。
目錄
1 概述
2 具有電流限制的GaN器件及驅(qū)動實現(xiàn)方法
3 實驗驗證
4 參考文獻
1 概述
短路是電源設(shè)備常見故障之一。當(dāng)短路發(fā)生后，如何快速檢測出故障，快速關(guān)閉電源設(shè)備，保證設(shè)備安全尤為重要。為了能準(zhǔn)確檢測出故障，功率器件需要具備足夠的短路耐受時間，保證在保護電路識別到故障之前能耐受住高耗散功率。柵極驅(qū)動電路必須具有保護措施，保護電路應(yīng)具有以下特征：快速響應(yīng)時間，安全關(guān)斷設(shè)備不受損害，具有高抗噪性以防止誤觸發(fā)。
GaN具有高的功率密度，這對其短路耐受能力有很大的限制，目前650V器件，400V及以下電壓測試其短路耐受時間小于500ns，該時間太短，無法可靠保護；高速開關(guān)（dv/dt>30V/ns）對檢測電路的抗噪聲要求更高。針對上述問題，研究者設(shè)計了具有短路電流限制的GaN器件，保證器件具有足夠長的短路耐受時間，將該器件與具有去飽和檢測和軟關(guān)斷電路驅(qū)動器配合使用，測試證明保護時間800ns，抗噪聲性能dv/dt=100V/ns。
2 具有電流限制的GaN器件及驅(qū)動實現(xiàn)方法
發(fā)生短路時，高的電壓和高的飽和電流使器件瞬間產(chǎn)生非常大的耗散功率，溫度快速上升，使器件產(chǎn)生不可逆的損壞。增加短路耐受時間（SCWT）的一個可能的解決方案是減少飽和電流以減少耗散功率并減緩溫度上升。GaN器件的正常工作電流遠小于其飽和電流，減小短路時的飽和電流是增加短路耐受能力的一種途徑。主要挑戰(zhàn)是要保證具有低導(dǎo)通電阻、良好的開關(guān)性能和可靠性。
短路電流限制（SCCL）是通過沿著GaN柵極的寬度去除2DEG溝道的片段來實現(xiàn)，如圖1所示。可以有效地產(chǎn)生橫向電流孔徑。該孔徑減小了器件的有效柵極寬度及其飽和電流，同時保持相對較低的導(dǎo)通電阻。SCCL裝置的縱向截面如圖1c和圖1d所示。截面AA’沿著電流孔徑路徑，其中2DEG從源極到漏極是連續(xù)的。在孔徑中，2DEG密度和遷移率以及柵極夾斷電壓與標(biāo)準(zhǔn)器件相同。截面BB’沿著電流阻斷路徑，柵極缺乏2DEG。電流阻斷塊設(shè)計適當(dāng)可有效控制飽和導(dǎo)通電流，同時保證了低導(dǎo)通電阻。SCCL在GaN器件柵極實現(xiàn)有兩個原因：一是柵極是控制飽和電流的最有效區(qū)域；二是對導(dǎo)通電阻影響小。
根據(jù)上述方法制備的器件其導(dǎo)通電阻、短路耐受能力和飽和電流關(guān)系如圖2所示。
該器件的短路保護硬件實現(xiàn)如圖3所示。該短路電流耐受被調(diào)為1.5µs的SCWT，導(dǎo)通電阻增加了20%，采用具有快速故障檢測電路的柵極驅(qū)動器，實現(xiàn)保護能被實現(xiàn)。柵極驅(qū)動器選用Si828x，短路保護通過去飽和檢測（DESAT）來實現(xiàn)。當(dāng)導(dǎo)通時，DESAT電路監(jiān)測功率器件的漏極電壓：如果漏極電壓高于閾值（標(biāo)稱7V），柵極驅(qū)動器升高標(biāo)志（FLT）并觸發(fā)電源設(shè)備的軟關(guān)閉。為確?？乖肼曅?，在漏極和DESAT端子之間增加RC網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)會引入延遲。若不引入延遲，DESAT可能會被系統(tǒng)噪聲或開關(guān)瞬態(tài)過程中電容充電和放電引起的漏極電流的自然浪涌錯誤觸發(fā)。
3 實驗驗證
應(yīng)用圖3中電路進行短路保護測試，測試結(jié)果如圖4所示。
當(dāng)GaN完全導(dǎo)通進入故障時，漏極電流達到110A（SCCL孔徑設(shè)置的飽和電平），同時，VDESAT在510納秒內(nèi)上升并達到故障閾值。此時，故障標(biāo)志動作，啟動軟停機程序。柵極電壓緩慢下降，在290ns內(nèi)達到0V。由于軟關(guān)閉，漏極電壓僅升至430V，在器件允許最大額定電壓650V范圍內(nèi)，沒有設(shè)備退化或災(zāi)難性擊穿的風(fēng)險?？偠搪繁Ｗo響應(yīng)時間（TSCP）僅為800ns，確保GaN器件安全，并具有足夠的裕度。TSCP比器件SCWT時間短2倍。抗擾度測試達到了100V/ns。
該文對GaN器件的抗短路能力進行了研究，通過在溝道中增加適當(dāng)?shù)目祝ㄕ{(diào)節(jié)寬度、長度等）阻礙電子流通。采用該方法制備的GaN器件短路耐受能力提升了3倍，導(dǎo)通電阻損失在可接受范圍，并通過實驗驗證了保護測試，保護響應(yīng)時間僅為800ns。通過該文學(xué)習(xí)對GaN器件有了新的了解，對GaN的應(yīng)用有了新的認識。
4 參考文獻
[1] Short-Circuit Protection for GaN Power Devices with Integrated Current Limiter and Commercial Gate Driver_ Davide Bisi
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