前言

GaN器件的商用为电力变换器技术具有重要的意义，目前650V GaN器件已广泛使用在电源适配、充电器、通信电源等领域，由于具备低导通电阻和高开关频率，能有效地提高电源的功率密度和效率、减小其体积。目前GaN的发展已实现1200V的高压应用场合，主要应用于汽车行业及高端行业，其电压等级主要集中于900V及以下。尽管GaN具有诸多的优势，但其劣势也十分明显，就是其较低的短路电流耐受能力，也是制约其发展的一个重要因素。已有许多学者就提高GaN的短路电流耐受能力作出了相关研究并取得了相应的研究成果。

1 概述

短路是电源设备常见故障之一。当短路发生后，如何快速检测出故障、电源设备快速关闭，保证设备安尤为重要。为了能准确的检测出故障，功率器件需要具备有足够的短路耐受时间，保证在保护电路识别到故障之前能耐受住高耗散功率。栅极驱动电路必须具有保护措施，保护电路应具有：快速响应时间；安全关断设备不受损害；具有高抗噪性以防止误触发。

GaN具有高的功率密度，这对其短路耐受能力有很大的限制，目前650V器件，400V及以下电压测试其短路耐受时间小于500ns，该时间太短，无法可靠保护；高速开关（dv/dt>30V/ns）对检测电路的抗噪声要求更高。针对上述问题，研究者设计了具有短路电流限制的GaN器件，保证器件具有足够长的短路耐受时间，将该器件与具有去饱和检测和软关断电路驱动器配合使用，测试证明保护时间800ns，抗噪声性能dv/dt=100V/ns。

2 具有电流限制的GaN器件及驱动实现方法

发生短路时，高的电压和高的饱和电流使器件瞬间产生非常大的耗散功率，温度快速上升，使器件产生不可逆的损坏。增加短路耐受时间（SCWT）的一个可能的解决方案是减少饱和电流以减少耗散功率并减缓温度上升。GaN器件的正常工作电流远小于其饱和电流，减小短路时的饱和电流是增加短路耐受能力的一种途径。主要挑战是要保证具有低导通电阻、良好的开关性能和可靠性。

短路电流限制（SCCL）是通过沿着GaN栅极的宽度去除2DEG沟道的片段来实现，如图1所示。可以有效地产生横向电流孔径。该孔径减小了器件的有效栅极宽度及其饱和电流，同时保持相对较低的导通电阻。SCCL装置的纵向截面如图1c和图1d所示。截面AA’沿着电流孔径路径，其中2DEG从源极到漏极是连续的。在孔径中，2DEG密度和迁移率以及栅极夹断电压与标准器件相同。截面BB’沿着电流阻断路径，栅极缺乏2DEG。电流阻断块设计适当可有效控制饱和导通电流，同时保证了低导通电阻。SCCL在GaN器件栅极实现有两个原因：一是栅极是控制饱和电流的最有效区域；二是对导通电阻影响小。

根据上述方法制备的器件其导通电阻、短路耐受能力和饱和电流关系如图2所示。

该器件的短路保护硬件实现如图3所示。该短路电流耐受被调为1.5µs的SCWT，导通电阻增加了20%，采用具有快速故障检测电路的栅极驱动器，实现保护能被实现。栅极驱动器选用Si828x，短路保护通过去饱和检测（DESAT）来实现。当导通时，DESAT电路监测功率器件的漏极电压：如果漏极电压高于阈值（标称7V），栅极驱动器升高标志（FLT）并触发电源设备的软关闭。为确保抗噪声性，在漏极和DESAT端子之间增加RC网络。该网络会引入延迟。若不引入延迟，DESAT可能会被系统噪声或开关瞬态过程中电容充电和放电引起的漏极电流的自然浪涌错误触发。

3 实验验证

应用图3中电路进行短路保护测试，测试结果如图4所示。

当GaN完全导通进入故障时，漏极电流达到110A（SCCL孔径设置的饱和电平），同时，VDESAT在510纳秒内上升并达到故障阈值。此时，故障标志动作，启动软停机程序。栅极电压缓慢下降，在290ns内达到0V。由于软关闭，漏极电压仅升至430V，在器件允许最大额定电压650V范围内，没有设备退化或灾难性击穿的风险。总短路保护响应时间（TSCP）仅为800ns，确保GaN器件安全，并具有足够的裕度。TSCP比器件SCWT时间短2倍。抗扰度测试达到了100V/ns。

该文对GaN器件的抗短路能力进行了研究，通过在沟道中增加适当的孔（调节宽度、长度等）阻碍电子流通。采用该方法制备的GaN器件短路耐受能力提升了3倍，导通电阻损失在可接受范围，并通过实验验证了保护测试，保护响应时间仅为800ns。通过该文学习对GaN器件有了新的了解，对GaN的应用有了新的认识。