[问答]

如何为氮化镓场效应晶体管提供更高的短路能力？

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 电源开关的短路能力是所有电源系统的关键特性，尤其是那些更容易发生短路事件（如电机驱动）的系统。这些由过载、击穿、电流浪涌和/或外部故障条件（图 1）[1] 引起的事件需要快速故障检测和安全关闭功率器件，以防止灾难性故障。适当的故障检测响应时间约为 2 μs [2]，该时间决定了电源开关所需的短路耐受时间（SCWT）额定值（即，器件可以承受短路事件的最短时间，在源极和漏极之间施加高电压和高电流）。图1. 三相电机驱动方案中使用的功率器件，显示了两种短路情况：（a）高端和低端之间的击穿和（b）感性负载上的短路。为了支持高压氮化镓场效应管的持续采用，确保高SCWT非常重要。但是，鉴于其固有属性，这可能很困难。与传统硅器件相比，GaN FET 与其他宽带隙器件一起，可在更小的区域内提供更高的功率密度。因此，当受到短路条件（同时出现高电压和高电流浪涌以及极端瞬时功耗）时，GaN器件可能会经历更陡峭的温升，从而导致SCWT比硅基器件更短。充分的保护，降低的性能...性能好，保护减少研究证明，使用 600 V GaN 器件在 400 V 电压下实现 SCWT ≥ 3 μs 的能力[3]。但是，由于报告的规范化 R上器件大于 20 Ω 毫米（> 9 mΩ·cm2），对于市场采用率相当高。商用600 V GaN器件的表现也好不到哪里去。在 400 V 下测试时，具有竞争性特定 R 的商用设备的 SCWT上限制<0.5 μs [4] [5]。因此，提高GaN器件的SCWT，同时保持具有竞争力的低特定导通电阻对于在不牺牲性能的情况下实现短路能力至关重要。解决方案：短路限流器使用称为短路限流器（SCCL）的专利技术 [6] [7]（图 2），通过减少从漏极流向源极的短路电流，将短路事件期间的功耗控制在较低水平，同时将导通电阻的衰减降至最低。在双芯片常关GaN平台中，通过控制饱和电流（ID，周六）的Si-FET或GaN-HEMT的饱和电流。图2. 获得专利的短路限流器（SCCL）的作用是降低漏源饱和电流（I），以增加器件的SCWT，同时保持低导通电阻。为了分析的目的，进行了后者：通过降低ID，周六的氮化镓。 SCCL是在Transphorm的核心技术上实现的，通过使用专有工艺沿GaN-HEMT的宽度去除2DEG通道的段。标准GaN-HEMT和含SCCL的GaN-HEMT的顶视图如图3a和图所示。3b，分别。SCCL器件的纵向横截面如图3c和图3d所示。AA'部分沿电流孔径路径拍摄，其中2DEG从源极到漏极不间断，电子可以在导通状态动。在孔径中，场板结构的2DEG特性（电荷密度和迁移率）和夹断电压与标准器件相同。 BB'部分沿阻断电流路径拍摄，显示了在场板结构的有限部分下缺乏2DEC。截流分段（电流阻断区域的长度、宽度和周期性）的正确设计可确保对饱和电流的良好控制，同时保持具有竞争力的低导通电阻。R 增加有限上是可能的，因为 R上主要由GaN-HEMT漏极区域（相当于传统功率器件中的“漂移区域”）决定，该区域不受SCCL阻塞区域的影响。事实上，要控制我D，周六，沿整个源极-漏极间距仅以较小的长度部署电流模块就足够了。图3.双芯片常关GaN开关（a）不带专利短路电流限制器（SCCL）和（b）的俯视图。SCCL是通过沿GaN HEMT的宽度去除2DEG通道的段来实现的。沿具有（c）当前孔径和（d）当前块的路径拍摄的纵向横截面。图纸不按比例缩放。实验结果将标准氮化镓器件[8]与具有SCCL的氮化镓器件进行了比较。两款器件具有相同的芯片面积，具有相同的 650 V 额定电压，并采用 8x8 mm PQFN 封装。图4显示了室温输出特性：当栅极完全导通（Vgs = +12 V）时，标准器件的平均静态R值上53 mΩ 和饱和电流（ID，周六）超过 120 A，而具有 SCCL 的设备具有平均静态 R上71 mΩ 和显著较低的 ID，周六的 42 A。借助 SCCL 技术，我们能够将 I 减少 3 倍D，周六静态导通电阻仅增加 0.35 倍（图 5a）。图4.（a）标准 650 V GaN 器件和（b）带 SCCL 的 650 V GaN 器件的室温输出曲线。当栅极完全导通（Vgs = +12 V）时，标准器件具有饱和电流（ID，周六）超过 120 A，而具有 SCCL 的器件的 I 明显较低D，周六的 42 A。I 减少 3 倍D，周六实现了。导通电阻仅增加 0.35 倍。值得注意的是，尽管SCCL设备具有显着较低的ID，周六比标准设备，SCCL ID，周六仍比最大额定直流电流（室温下为 20 A）高 2 倍以上。这不仅对于确保良好的导通状态操作很重要，而且对于确保输出电容的快速开关和快速放电（C开放源码软件）在导通瞬变期间。最后，SCCL技术不会降低场板介电隔离的质量，因为相对于标准器件，没有观察到650 V关断状态泄漏电流增加（图5b）。图5.（a）处女静态R上在室温下获得，导通状态 ID = 6 A。SCCL 设备的 R 相对较小上+0.35倍的惩罚，因为电流模块仅部署在整个漏源长度的一小部分中。（b）在V处获取的关断状态漏极电流DS室温下 = 650 V。断态泄漏没有增加表明SCCL技术不会降低场板介电隔离的质量。图片由Bodo的电力系统提供图6.短路测试板原理图。该板模拟硬开关故障，其中 DUT 直接接通故障，并在其端子上体验整个直流母线电压（400V）。为了评估SCWT的改进，在短路事件期间，在称为“硬开关故障”的最坏情况下，对器件进行了测试和比较，在这种情况下，DUT直接接通故障，并且必须在整个短路脉冲期间承受完整的总线电压。短路测试板如图6所示。在测试过程中，通过完全打开栅极3 μs来模拟短路事件。直流母线以50 V的增量从50 V逐步增加到400 V。在每个步骤中，施加一个短路脉冲并记录相关的短路波形。这项工作中报告的测试是在室温下进行的。结果如图7所示。标准器件的短路电流为 180 A，在 100 V 的直流母线电压下 3 μs 后失效，而 SCCL 器件的短路电流要低得多（50 A），并且在 400 V 电压下可承受 3 μs 脉冲。短路鲁棒性的显著提高（超过4倍）证明了SCCL设计的概念验证和成功实施。图7.在室温下在（a）标准 GaN 器件和（b）带 SCCL 的 GaN 器件上采集的 3 μs 短路脉冲。标准器件的短路电流为 180 A，在 100 V 的直流母线电压下失效，而 SCCL 的短路电流要低得多（50 A），在 400 V 时可承受 3 μs 脉冲。为了确保SCCL器件能够在实际的实际开关应用中以高性能和高可靠性运行，直流和短路测试以及动态R。上进行了测试、电感开关测试和高温反向偏置（HTRB）应力测试。动态 R上使用480 V直流总线和2 μs导通脉冲宽度进行的测试表明，动态和静态R之间的相对增加上约为 +18%。这类似于动态和静态 R 之间的相对增加上表示 SCCL 阻断区域不会加剧电荷捕获。使用400 V直流母线和15 A负载电流（图8）进行的电感开关测试表明，在导通和关断期间，这对SCCL器件的dv/dt与标准器件相似（Rg = 50 Ω时为≥35 V/ns，图9），表明低 ID，周六的 SCCL 不妨碍输出电容的充电和放电（C开放源码软件). 图8.电感式开关测试板原理图在HTRB测试期间，80个器件在150°C和520 V的反向偏置应力下持续1000小时。在 250 小时和 1，000 小时后，没有保险丝故障，泄漏不会增加，参数 R 相对较小上观察到降解（~5%）。参见图 10。小参数 R上降级与在标准设备中观察到的情况类似，因此表明SCCL阻塞区域不会引入任何额外的降级和/或故障机制。对于SCCL技术的未来JEDEC和汽车资格来说，这是一个有希望的结果。结论 SCCL被证明是一种高性能、高可靠性的解决方案，可将GaN功率器件的SCWT在400 V时提高到3 μs，导通电阻增加有限。SCCL将短路电流降低了3倍以上，并将短路鲁棒性提高了4倍以上。截至今天，在阻力中的惩罚限制为 0.35 倍。通过不断优化SCCL设计，可以进一步降低Ron惩罚。从包括动态 Ron 测试、电感开关测试和 100 小时 HTRB 在内的初始表征活动中，SCCL 技术已被证明具有类似于标准 Transphorm 技术的开关性能和可靠性图9.（a）标准器件和 SCCL 器件的感性负载电流为 ~15 A 时获取的导通和（b）关断瞬变。SCCL器件的dv/dt与标准器件相似，表明低ID，周六的 SCCL 不妨碍输出电容的充电和放电（C开放源码软件). 图 10. R上以及在 SCCL GaN 器件（80 部件）上在 150°C 和 520 V 下进行 1000 小时 HTRB 测试之前和之后测量的漏极泄漏。在 250 小时和 1000 小时后，我们观察到保险丝没有失效，泄漏没有增加，参数 R 相对较小上退化（~5%）。小参数 R上降级类似于在标准设备中观察到的情况，因此表明SCCL阻塞区域不会引入任何额外的降级和/或故障机制。 SCCL技术可应用于整个GaN产品组合，以服务于广泛的电机驱动应用。得益于扩展的SCWT，SCCL技术将使行业能够采用传统的短路保护方案，对噪声和开关瞬变具有足够的抗扰度。 0
2023-2-22 16:27:02　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × jf_50240986 该类别下有 38 个回答。邀请回答 jf_31371407 该类别下有 5 个回答。邀请回答 DengQilong 该类别下有 5 个回答。邀请回答 shaorc 该类别下有 4 个回答。邀请回答 jf_53810314 该类别下有 4 个回答。邀请回答 cllmxdsdo 该类别下有 4 个回答。邀请回答 CCCLLL 该类别下有 4 个回答。邀请回答 fgdfdzdg 该类别下有 4 个回答。邀请回答大洼球王该类别下有 4 个回答。邀请回答冰箱洗衣机该类别下有 4 个回答。邀请回答 zyh34997 该类别下有 4 个回答。邀请回答 dingyang598 该类别下有 3 个回答。邀请回答 qiangqzuo 该类别下有 3 个回答。邀请回答 yvochen 该类别下有 3 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 3 个回答。邀请回答杨肖该类别下有 3 个回答。邀请回答 tigerwang711 该类别下有 3 个回答。邀请回答小佳99 该类别下有 3 个回答。邀请回答张程明该类别下有 3 个回答。邀请回答张璧成该类别下有 3 个回答。邀请回答举报王磊相关推荐 • 什么是鳍式场效应晶体管？鳍式场效应晶体管有哪些优缺点？ 13926 • 氮化镓场效应晶体管与硅功率器件比拼之包络跟踪，不看肯定后悔 1348 • MOSFET和鳍式场效应晶体管的不同器件配置及其演变 12950 • 如何挑选出好的场效应晶体管？ 1068 • 分析如何为便携式电子设备挑选安全可靠的场效应晶体管？ 1262 • 互补场效应晶体管点火和只用一个场效应晶体管点火与PWM的区别？ 166 • LABVIEW可以测量场效应晶体管的参数吗 2372 • 场效应晶体管K值的参数意义 6590 • 什么是氮化镓（GaN）？ 7143 • 氮化镓技术在半导体行业中处于什么位置？ 2661