足够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压时间 （SCWT） 额定值（即，在源极和漏极之间施加高电压和高电流的情况下，器件可以承受短路事件的短时间）。
图 1. 三相电机驱动方案中采用的功率器件，显示了两种短路情况：（a） 高侧和低侧之间的击穿，以及 （b） 感性负载上的短路。图片由 Bodo's Power Systems 提供
为了支持高压 GaN FET 的持续采用，确保高 SCWT 非常重要。不过，考虑到它们的固有属性，这可能很困难。GaN FET 以及其他宽带隙器件在更小的面积上提供比传统硅器件高得多的功率密度。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的瞬时功率耗散）时，GaN 器件可能会经历更陡峭的温升，从而导致比硅基器件更短的 SCWT。
足够的保护，降低的性能...性能充足，保护减少
研究已经证明，使用 600 V GaN 器件在 400 V 电压下实现 3 μs ≥ SCWT 的能力 [3]。但是，由于的标准化 R上大于 20 Ω·mm （> 9 mΩ·cm2），对于市场采用率相当高。
市售的 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上已限制在 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比导通电阻，对于在不影响性能的情况下实现短路能力至关重要。
解决方案：短路电流限制器
使用一种称为短路电流限制器 （SCCL） 的技术 [6] [7]（图 2），可以通过减少从漏极流向源极的短路电流来控制短路事件期间的功率耗散，并将导通电阻的退化降至。在双芯片常闭 GaN 平台中，可以通过控制饱和电流 （Id，sat） 或 GaN-HEMT 的饱和电流。
图 2. 获得的短路电流限制器 （SCCL） 用于降低漏源饱和电流 （I），从而提高器件的 SCWT，同时保持低导通电阻。图片由 Bodo's Power Systems 提供
为了分析，执行了后者：通过减少 I 来增加 SCWTd，satGaN-HEMT.
SCCL 是在 Transphorm 的技术上实现的，通过使用专有工艺沿 GaN-HEMT 的宽度去除 2DEG 通道的片段。标准 GaN-HEMT 和含 SCCL 的 GaN-HEMT 的俯视图分别如图 3a 和图 3b 所示。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取，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。
截面 BB' 沿电流阻挡路径取，显示磁场板结构的有限部分下缺乏 2DEG。电流阻断分段的适当设计 （电流阻断区域的长度、宽度和周期性） 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 值有限增加上是可能的，因为 R上主要由 GaN-HEMT 漏极入口区域（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。其实，要控制我d，sat，仅沿整个 source-drain 间距以较小的长度部署当前块就足够了。
图 3.双芯片常闭 GaN 开关 （a） 的俯视图，不带和 （b） 带的短路电流限制器 （SCCL）。SCCL 是通过沿 GaN HEMT 的宽度去除 2DEG 通道的段来实现的。沿路径取的纵向横截面，其中 （c） 当前孔径和 （d） 当前块。绘图不按比例绘制。图片由 Bodo's Power Systems 提供
实验结果
将标准 GaN 器件 [8] 与带有 SCCL 的 GaN 器件进行了比较。两种器件具有相同的芯片面积，具有相同的 650 V 额定值，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上为 53 mΩ 和饱和电流 （Id，sat） 超过 120 A，而具有 SCCL 的器件具有平均静态 R上71 mΩ 和 I 明显降低d，sat的 42 A。借助 SCCL 技术，我们能够将 I 减少 3 倍d，sat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，sat） 超过 120 A，而具有 SCCL 的器件具有明显较低的 Id，sat的 42 A。I 减少 3 倍d，sat实现了。导通电阻仅增加 0.35 倍。图片由 Bodo's Power Systems 提供
值得注意的是，尽管 SCCL 器件的 I 明显较低d，sat比标准设备 SCCL Id，sat仍比额定直流电流（室温下为 20 A）高 2 倍以上。这不仅要确保良好的导通状态作，还要确保输出电容 （C开源软件） 在开启瞬变期间。，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 的关断状态泄漏电流增加（图 5b）。
图 5.（a） 原始静态 R上在室温下采集，导通状态 Id = 6 A。SCCL 器件具有相对较小的 R上惩罚 +0.35 倍，因为当前区块仅部署在整个 drain-source 长度的一小部分。（b） 在 V 处采集的关断态漏电流双倍室温下 = 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's Power Systems 提供
图 6.短路测试板的原理图。该板模拟硬开关故障，其中 DUT 在故障时直接导通，并在其端子上承受整个直流总线电压 （400V）。图片由 Bodo's Power Systems 提供
为了评估 SCWT 的改进，在称为“硬开关故障”的坏情况下，在短路事件期间对有和没有 SCCL 的设备进行了测试和比较，其中 DUT 在故障时直接接通，并且必须在整个短路脉冲持续时间内承受全总线电压。短路测试板如图 6 所示。在测试期间，通过完全打开栅极 3 μs 来模拟短路事件。直流总线以 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，在仅 100 V 的直流总线电压下，3 μs 后失效，而 SCCL 器件的短路电流要低得多 （50 A），在 400 V 的电压下可承受 3 μs 脉冲。短路稳健性的显著提高（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 的直流总线电压下失效，而 SCCL 的短路电流要低得多 （50 A），并且在 400 V 下能承受 3 μs 的脉冲。图片由 Bodo's Power Systems 提供
确保 SCCL 器件能够在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、感应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 的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 之间的相对增加上在标准器件中，表明 SCCL 阻塞区域不会加剧电荷捕获。
使用 400 V 直流总线和 15 A 负载电流进行的电感开关测试（图 8）表明，在导通和关断期间，这对 SCCL 器件具有与标准器件相似的 dv/dt（≥35 V/ns，Rg = 50 Ω，图 9），表明低 Id，sat的 SCCL 不会妨碍输出电容的充电和放电 （C开源软件).
图 8.电感式开关测试板的原理图。图片由 Bodo's Power Systems 提供
在 HTRB 测试期间，80 个部件在 150°C 和 520 V 下承受 1000 小时的反向偏置应力。250 小时和 1,000 小时后，没有熔断器故障，没有泄漏增加，参数 R 相对较小上观察到降解 （~5%）。参见图 10。小参数 R上降解类似于在标准设备中观察到的降解，因此表明 SCCL 阻断区域不会引入任何额外的降解和/或故障机制。对于 SCCL 技术的潜在 JEDEC 和汽车来说，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，可在 400 V 电压下将 GaN 功率器件的 SCWT 提高到 3 μs，同时导通电阻的增加有限。SCCL 将短路电流降低了 3 倍以上，并将短路稳健性提高了 4 倍以上。截至今天，导通电阻的损失限制为 0.35 倍。通过不断优化 SCCL 设计，可以进一步降低 Ron 损失。从包括动态 Ron 测试、感应开关测试和 100 h HTRB 在内的初始表征活动开始，SCCL 技术已被证明具有与标准 Transphorm 技术相似的开关性能和可靠性
图 9.标准器件和 SCCL 器件的 （a） 导通和 （b） 关断瞬变，均以 ~15 A 的感性负载电流采集。SCCL 器件具有与标准器件相似的 dv/dt，表明低 Id，sat的 SCCL 不会妨碍输出电容的充电和放电 （C开源软件).图片由 Bodo's Power Systems 提供
图 10. R上以及在 150°C 和 520 V 电压下对 SCCL GaN 器件（80 份）进行 1000 小时 HTRB 测试前后测量的漏极泄漏。在 250 小时和 1000 小时后，我们观察到没有熔断器故障，泄漏没有增加，参数 R 相对较小上降解 （~5%）。小参数 R上降解类似于在标准设备中观察到的降解，因此表明 SCCL 阻塞区域不会引入任何额外的降解和/或故障机制。图片由 Bodo's Power Systems 提供
