足夠的故障檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間約為 2 μs [2]，該時(shí)間決定了電源開關(guān)所需的短路耐壓時(shí)間 （SCWT） 額定值（即，在源極和漏極之間施加高電壓和高電流的情況下，器件可以承受短路事件的短時(shí)間）。

　　圖 1. 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中采用的功率器件，顯示了兩種短路情況：（a） 高側(cè)和低側(cè)之間的擊穿，以及 （b） 感性負(fù)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。GaN FET 以及其他寬帶隙器件在更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)高電壓和高電流浪涌以及極端的瞬時(shí)功率耗散）時(shí)，GaN 器件可能會(huì)經(jīng)歷更陡峭的溫升，從而導(dǎo)致比硅基器件更短的 SCWT。
　　足夠的保護(hù)，降低的性能...性能充足，保護(hù)減少
　　研究已經(jīng)證明，使用 600 V GaN 器件在 400 V 電壓下實(shí)現(xiàn) 3 μs ≥ SCWT 的能力 [3]。但是，由于的標(biāo)準(zhǔn)化 R上大于 20 Ω·mm （> 9 mΩ·cm2），對(duì)于市場(chǎng)采用率相當(dāng)高。
　　市售的 600 V GaN 器件的表現(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 的商用設(shè)備的 SCWT上已限制在 0.5 μs < [4] [5]。因此，提高 GaN 器件的 SCWT，同時(shí)保持具有競(jìng)爭(zhēng)力的低比導(dǎo)通電阻，對(duì)于在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)短路能力至關(guān)重要。
　　解決方案：短路電流限制器

　　使用一種稱為短路電流限制器 （SCCL） 的技術(shù) [6] [7]（圖 2），可以通過減少?gòu)穆O流向源極的短路電流來控制短路事件期間的功率耗散，并將導(dǎo)通電阻的退化降至。在雙芯片常閉 GaN 平臺(tái)中，可以通過控制飽和電流 （Id，sat） 或 GaN-HEMT 的飽和電流。

　　圖 2. 獲得的短路電流限制器 （SCCL） 用于降低漏源飽和電流 （I），從而提高器件的 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，執(zhí)行了后者：通過減少 I 來增加 SCWTd，satGaN-HEMT.
　　SCCL 是在 Transphorm 的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的，通過使用專有工藝沿 GaN-HEMT 的寬度去除 2DEG 通道的片段。標(biāo)準(zhǔn) GaN-HEMT 和含 SCCL 的 GaN-HEMT 的俯視圖分別如圖 3a 和圖 3b 所示。SCCL 器件的縱向橫截面如圖 3c 和圖 3d 所示。AA' 部分沿電流孔徑路徑取，其中 2DEG 從源極到漏極不間斷，電子可以在導(dǎo)通狀態(tài)動(dòng)。在孔徑中，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的 2DEG 特性（電荷密度和遷移率）和夾斷電壓與標(biāo)準(zhǔn)器件相同。

　　截面 BB' 沿電流阻擋路徑取，顯示磁場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的有限部分下缺乏 2DEG。電流阻斷分段的適當(dāng)設(shè)計(jì) （電流阻斷區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和周期性） 可確保對(duì)飽和電流的良好控制，同時(shí)保持具有競(jìng)爭(zhēng)力的低導(dǎo)通電阻。R 值有限增加上是可能的，因?yàn)?R上主要由 GaN-HEMT 漏極入口區(qū)域（相當(dāng)于傳統(tǒng)功率器件中的“漂移區(qū)域”）決定，該區(qū)域不受 SCCL 阻塞區(qū)域的影響。其實(shí)，要控制我d，sat，僅沿整個(gè) source-drain 間距以較小的長(zhǎng)度部署當(dāng)前塊就足夠了。

　　圖 3.雙芯片常閉 GaN 開關(guān) （a） 的俯視圖，不帶和 （b） 帶的短路電流限制器 （SCCL）。SCCL 是通過沿 GaN HEMT 的寬度去除 2DEG 通道的段來實(shí)現(xiàn)的。沿路徑取的縱向橫截面，其中 （c） 當(dāng)前孔徑和 （d） 當(dāng)前塊。繪圖不按比例繪制。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] 與帶有 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)柵極完全導(dǎo)通 （Vgs = +12 V） 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器件的平均靜態(tài) R上為 53 mΩ 和飽和電流 （Id，sat） 超過 120 A，而具有 SCCL 的器件具有平均靜態(tài) R上71 mΩ 和 I 明顯降低d，sat的 42 A。借助 SCCL 技術(shù)，我們能夠?qū)?I 減少 3 倍d，sat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)器件具有飽和電流 （Id，sat） 超過 120 A，而具有 SCCL 的器件具有明顯較低的 Id，sat的 42 A。I 減少 3 倍d，sat實(shí)現(xiàn)了。導(dǎo)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 明顯較低d，sat比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 SCCL Id，sat仍比額定直流電流（室溫下為 20 A）高 2 倍以上。這不僅要確保良好的導(dǎo)通狀態(tài)作，還要確保輸出電容 （C開源軟件） 在開啟瞬變期間。，SCCL 技術(shù)不會(huì)降低場(chǎng)板介電隔離的質(zhì)量，因?yàn)橄鄬?duì)于標(biāo)準(zhǔn)器件，沒有觀察到 650 V 的關(guān)斷狀態(tài)泄漏電流增加（圖 5b）。

　　圖 5.（a） 原始靜態(tài) R上在室溫下采集，導(dǎo)通狀態(tài) Id = 6 A。SCCL 器件具有相對(duì)較小的 R上懲罰 +0.35 倍，因?yàn)楫?dāng)前區(qū)塊僅部署在整個(gè) drain-source 長(zhǎng)度的一小部分。（b） 在 V 處采集的關(guān)斷態(tài)漏電流雙倍室溫下 = 650 V。斷態(tài)泄漏沒有增加表明 SCCL 技術(shù)不會(huì)降低場(chǎng)板介電隔離的質(zhì)量。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 6.短路測(cè)試板的原理圖。該板模擬硬開關(guān)故障，其中 DUT 在故障時(shí)直接導(dǎo)通，并在其端子上承受整個(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)，在稱為“硬開關(guān)故障”的壞情況下，在短路事件期間對(duì)有和沒有 SCCL 的設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試和比較，其中 DUT 在故障時(shí)直接接通，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，通過完全打開柵極 3 μs 來模擬短路事件。直流總線以 50 V 的增量從 50 V 逐步增加到 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。這項(xiàng)工作中的測(cè)試是在室溫下進(jìn)行的。

　　結(jié)果如圖 7 所示。標(biāo)準(zhǔn)器件的短路電流為 180 A，在僅 100 V 的直流總線電壓下，3 μs 后失效，而 SCCL 器件的短路電流要低得多 （50 A），在 400 V 的電壓下可承受 3 μs 脈沖。短路穩(wěn)健性的顯著提高（超過 4 倍）證明了 SCCL 設(shè)計(jì)的概念驗(yàn)證和成功實(shí)施。

　　圖 7.在室溫下在 （a） 標(biāo)準(zhǔn) GaN 器件和 （b） 帶 SCCL 的 GaN 器件上采集的 3 μs 短路脈沖。標(biāo)準(zhǔn)器件的短路電流為 180 A，在 100 V 的直流總線電壓下失效，而 SCCL 的短路電流要低得多 （50 A），并且在 400 V 下能承受 3 μs 的脈沖。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
　　確保 SCCL 器件能夠在實(shí)際開關(guān)應(yīng)用中以高性能和高可靠性運(yùn)行，直流和短路測(cè)試以及動(dòng)態(tài) R上進(jìn)行了測(cè)試、感應(yīng)開關(guān)測(cè)試和高溫反向偏置 （HTRB） 應(yīng)力測(cè)試。
　　動(dòng)態(tài) R上使用 480 V 直流總線和 2 μs 的導(dǎo)通脈沖寬度進(jìn)行的測(cè)試表明，動(dòng)態(tài)和靜態(tài) R 之間的相對(duì)增加上約為 +18%。這類似于動(dòng)態(tài)和靜態(tài) R 之間的相對(duì)增加上在標(biāo)準(zhǔn)器件中，表明 SCCL 阻塞區(qū)域不會(huì)加劇電荷捕獲。

　　使用 400 V 直流總線和 15 A 負(fù)載電流進(jìn)行的電感開關(guān)測(cè)試（圖 8）表明，在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，這對(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），表明低 Id，sat的 SCCL 不會(huì)妨礙輸出電容的充電和放電 （C開源軟件).

　　圖 8.電感式開關(guān)測(cè)試板的原理圖。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 1000 小時(shí)的反向偏置應(yīng)力。250 小時(shí)和 1,000 小時(shí)后，沒有熔斷器故障，沒有泄漏增加，參數(shù) R 相對(duì)較小上觀察到降解 （~5%）。參見圖 10。小參數(shù) R上降解類似于在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中觀察到的降解，因此表明 SCCL 阻斷區(qū)域不會(huì)引入任何額外的降解和/或故障機(jī)制。對(duì)于 SCCL 技術(shù)的潛在 JEDEC 和汽車來說，這是一個(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，可在 400 V 電壓下將 GaN 功率器件的 SCWT 提高到 3 μs，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)健性提高了 4 倍以上。截至今天，導(dǎo)通電阻的損失限制為 0.35 倍。通過不斷優(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、感應(yīng)開關(guān)測(cè)試和 100 h HTRB 在內(nèi)的初始表征活動(dòng)開始，SCCL 技術(shù)已被證明具有與標(biāo)準(zhǔn) Transphorm 技術(shù)相似的開關(guān)性能和可靠性

　　圖 9.標(biāo)準(zhǔn)器件和 SCCL 器件的 （a） 導(dǎo)通和 （b） 關(guān)斷瞬變，均以 ~15 A 的感性負(fù)載電流采集。SCCL 器件具有與標(biāo)準(zhǔn)器件相似的 dv/dt，表明低 Id，sat的 SCCL 不會(huì)妨礙輸出電容的充電和放電 （C開源軟件).圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 10. R上以及在 150°C 和 520 V 電壓下對(duì) SCCL GaN 器件（80 份）進(jìn)行 1000 小時(shí) HTRB 測(cè)試前后測(cè)量的漏極泄漏。在 250 小時(shí)和 1000 小時(shí)后，我們觀察到?jīng)]有熔斷器故障，泄漏沒有增加，參數(shù) R 相對(duì)較小上降解 （~5%）。小參數(shù) R上降解類似于在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中觀察到的降解，因此表明 SCCL 阻塞區(qū)域不會(huì)引入任何額外的降解和/或故障機(jī)制。圖片由 Bodo's Power Systems 提供