筆記13---一種具有短路限制的GaN及驅動、保護的實現

電源技能成長記 2024-03-10 21:59 586 閱讀 3 贊 6 收藏 0 評論

前言

GaN器件的商用為電力變換器技術具有重要的意義，目前650V GaN器件已廣泛使用在電源適配、充電器、通信電源等領域，由于具備低導通電阻和高開關頻率，能有效地提高電源的功率密度和效率、減小其體積。目前GaN的發展已實現1200V的高壓應用場合，主要應用于汽車行業及高端行業，其電壓等級主要集中于900V及以下。盡管GaN具有諸多的優勢，但其劣勢也十分明顯，就是其較低的短路電流耐受能力，這也是制約其發展的一個重要因素。目前已有許多學者就提高GaN的短路電流耐受能力作出了相關研究并取得了相應的研究成果。

1 概述

短路是電源設備常見故障之一。當短路發生后，如何快速檢測出故障，快速關閉電源設備，保證設備安全尤為重要。為了能準確檢測出故障，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。柵極驅動電路必須具有保護措施，保護電路應具有以下特征：快速響應時間，安全關斷設備不受損害，具有高抗噪性以防止誤觸發。

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（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斷電路驅動器配合使用，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器件及驅動實現方法

發生短路時，高的電壓和高的飽和電流使器件瞬間產生非常大的耗散功率，溫度快速上升，使器件產生不可逆的損壞。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。主要挑戰是要保證具有低導通電阻、良好的開關性能和可靠性。

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，如圖1所示。可以有效地產生橫向電流孔徑。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的。在孔徑中，2DEG密度和遷移率以及柵極夾斷電壓與標準器件相同。截面BB’沿著電流阻斷路徑，柵極缺乏2DEG。電流阻斷塊設計適當可有效控制飽和導通電流，同時保證了低導通電阻。SCCL在GaN器件柵極實現有兩個原因：一是柵極是控制飽和電流的最有效區域；二是對導通電阻影響小。

根據上述方法制備的器件其導通電阻、短路耐受能力和飽和電流關系如圖2所示。

該器件的短路保護硬件實現如圖3所示。該短路電流耐受被調為1.5µs的SCWT，導通電阻增加了20%，采用具有快速故障檢測電路的柵極驅動器，實現保護能被實現。柵極驅動器選用Si828x，短路保護通過去飽和檢測（DESAT）來實現。當導通時，DESAT電路監測功率器件的漏極電壓：如果漏極電壓高于閾值（標稱7V），柵極驅動器升高標志（FLT）并觸發電源設備的軟關閉。為確保抗噪聲性，在漏極和DESAT端子之間增加RC網絡。該網絡會引入延遲。若不引入延遲，DESAT可能會被系統噪聲或開關瞬態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。

3 實驗驗證

應用圖3中電路進行短路保護測試，測試結果如圖4所示。

當GaN完全導通進入故障時，漏極電流達到110A（SCCL孔徑設置的飽和電平），同時，VDESAT在510納秒內上升并達到故障閾值。此時，故障標志動作，啟動軟停機程序。柵極電壓緩慢下降，在290ns內達到0V。由于軟關閉，漏極電壓僅升至430V，在器件允許最大額定電壓650V范圍內，沒有設備退化或災難性擊穿的風險。總短路保護響應時間（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的孔（調節寬度、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，保護響應時間僅為800ns。通過該文學習對GaN器件有了新的了解，對GaN的應用有了新的認識。