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    [導讀]在電機驅動應用中,功率器件需要承受過載或故障條件,這些條件會造成器件處于高電壓和高電流導通狀態且器件處于飽和狀態。高溫會導致災難性的破壞。功率器件及其柵極驅動器需要協同工作才能關閉器件,之前將 1us 視為正常響應時間。幾項關于 GaN HEMT 的研究報告了更短的 SCWT 時間,這被認為是來自高電流密度,尤其是在低 Rdson 器件中。隨著 Vds 升高,SCWT 急劇下降,許多研究表明 Vds ≥ 400V 時小于 500ns。

    GaN HEMT 的短路耐受時間 (SCWT):

    在電機驅動應用中,功率器件需要承受過載或故障條件,這些條件會造成器件處于高電壓和高電流導通狀態且器件處于飽和狀態。高溫會導致災難性的破壞。功率器件及其柵極驅動器需要協同工作才能關閉器件,之前將 1us 視為正常響應時間。幾項關于 GaN HEMT 的研究報告了更短的 SCWT 時間,這被認為是來自高電流密度,尤其是在低 Rdson 器件中。隨著 Vds 升高,SCWT 急劇下降,許多研究表明 Vds ≥ 400V 時小于 500ns。較低的 Vgs 也有幫助,因為 SCWT 在高 Vgs 下的退化被認為是由于柵極下方的空穴積累造成的[4]. 一項比較級聯與電子模式 HEMT [5]的研究表明,短路 (SC) 熱事件導致級聯設備中的 Idsat 下降低于電子模式設備,這使得它們對 SC 事件的魯棒性較低。由于自熱導致的 e-mode 設備上 Idsat 的較大百分比下降有助于加強其 SC 行為。

    一項研究[6]提出了 SCWT 安全操作區域,其中作者還研究了重復 SC 事件的影響。研究發現,盡管 Vds 為 400V 和 Vgs 為 6V 的單個 SC 事件允許較大的 SCWT (>300us),但在這些偏置條件下,重復的 SC 事件僅導致 20ns 的 SCWT。Vds 和/或 Vgs 的顯著降額對于改善這個時間是必要的。作者得出結論,薄 GaN 溝道層中的熱限制會產生機械應力,從而導致故障。Transphorm 獲得了一種改進 SCWT 的方法的專利。這種方法[7]被稱為短路電流限制器 (SCCL) 有效地減少了柵極下方通道的有源區域,從而降低了 Idsat 并改善了 SCWT,但 Rdson 損失可能在 10-30% 之間。當與去飽和檢測 (DESAT) 柵極驅動器配對時,在 Vds = 400V 和完整 Vgs = 12V 時獲得 800ns 檢測。已經提出了幾種快速 SC 檢測方法,很明顯,該領域需要重大發展來驗證 GaN HEMT 在電機控制應用中的使用,特別是在電壓 ≥ 400V 的情況下。

    三、包裝:

    級聯拓撲對柵極電壓更穩健,因此在一定程度上比 e 模式對應物更能不受寄生電感/電容的影響。一些共源共柵器件采用耐熱封裝,如 TO-247。E 模式器件在很大程度上更容易出現柵極噪聲問題,因此必須仔細考慮與封裝相關的寄生效應。因此,許多為此提供的產品都采用無鉛平面封裝。因此,封裝級別的技術開發對于確保這些高功率密度器件所需的高散熱能力至關重要。具有開爾文源極連接還允許在沒有公共源極電感的情況下進行更精確的柵極控制。GaN Systems 推出了具有低熱阻的創新 GaNPX® 封裝。

    微波功率器件的發展,對現代信息技術的進步產生了重要的影響。第一代硅(Si)半導體技術的發展奠定了現有信息技術的基礎,第二代砷化嫁(GaAs)化合物半導體技術,在微波射頻(RF)領域發揮了重要作用,手機的功率放大器是其主要的應用領域。第三代氮化嫁(GaN)化合物半導體技術在最近幾年得到了長足發展,主要是第四代和第五代移動通訊大功率基站和雷達技術的應用需求。這些半導體技術的應用都和半導體材料的物理特性直接相關,材料特性決定了GaN在微波射頻大功率器件應用領域有獨特的優勢。品質因數就是用來表征半導體高溫、高功率以及高頻特性的指標。

    GaN HEMT芯片是新一代半導體器件,由于其優異的功率特性和頻率特性,受到國內外廣泛重視,成為各國高科技研發的重點。美國一直把GaN微波功率器件及微波單片集成電路(MMIC)作為重點支持的領域,自2001年起先后啟動了寬禁帶半導體技術創新計劃和寬禁帶半導體技術計劃來推動GaN, SiC材料和器件的制造和改進。國外己開始用GaN功率HEMT器件來研制新一代相控陣雷達和高可靠的航空、航天電子裝備。


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