電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的惡劣環(huán)境可能會(huì)因逆變器擊穿和電機(jī)繞組絕緣擊穿等故障情況而導(dǎo)致過流水平。功率器件需要在保護(hù)檢測(cè)電路觸發(fā)和關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的時(shí)間內(nèi)承受這些事件。SC 事件通常具有以下特征：
　　高漏極電壓 (V DS ) 和漏極電流 (I DS )的組合。在這種情況下流動(dòng)的電流是器件的飽和電流(I DSAT )。
　　電流密度通常呈現(xiàn)尖峰，導(dǎo)致溫度升高。
　　由于閾值電壓 (V th )降低，溫度升高會(huì)產(chǎn)生正反饋機(jī)制。這可以與由于高 V DS導(dǎo)致的漏極誘導(dǎo)勢(shì)壘降低相結(jié)合。
　　高電場(chǎng)和升高的溫度會(huì)導(dǎo)致柵極和漏極泄漏增加。如果在耐受時(shí)間內(nèi)關(guān)閉設(shè)備，效果可以恢復(fù)。
　　眾所周知，重復(fù)的 SC 事件會(huì)產(chǎn)生更大的壓力和設(shè)備故障。
　　具有柵極氧化物的器件（例如 MOSFET 和 MISFET）可能會(huì)出現(xiàn)柵極氧化物失效的情況。
　　高溫可能導(dǎo)致器件金屬層（例如鋁）熔化。這些影響是災(zāi)難性的，可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
　　SCWT 是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，用于衡量設(shè)備能夠承受 SC 事件的短時(shí)間。硅 IGBT 器件的 SCWT 額定值通常超過 10 s，而碳化硅 MOSFET 的額定值要低得多，約為 3-5 ?s。WBG 器件通常在較高的功率密度下運(yùn)行，因此在 SC 條件下會(huì)表現(xiàn)出更陡峭的溫升。橫向 GaN HEMT 具有高密度二維電子氣 (2DEG) 通道，可以在高柵極和漏極電壓下提供高飽和電流密度。研究稱，在 400 V 總線電壓下重復(fù) SC 事件下，650 V GaN HEMT 的 SCWT 遠(yuǎn)低于 1 s。2器件中各層之間的熱限制和熱導(dǎo)率不匹配是 SCWT 不良的關(guān)鍵因素。
　　SC檢測(cè)
　　柵極驅(qū)動(dòng)器有不同的短路檢測(cè)和控制方法。兩種常用的方法是：
　　去飽和檢測(cè)：如圖 1 所示，器件的 V DS由電容器（稱為消隱電容器）感測(cè)，該電容器在器件正常工作時(shí)鉗位正向電壓。在 SC 事件下，該電壓被充電至觸發(fā)器件關(guān)閉的閾值電壓。充電時(shí)間（稱為消隱時(shí)間）受到控制，以防止開啟轉(zhuǎn)換時(shí)的誤觸發(fā)。
　　分流電阻：這種過流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)精度良好，但缺點(diǎn)是相關(guān)的功率損耗。
　　改進(jìn) GaN HEMT SCWT
　　Transphorm 擁有一項(xiàng)名為短路限流器 (SCCL) 的技術(shù)。這里的目標(biāo)是減少器件 ID DSAT，這是通過使用專有工藝去除 2DEG 通道中的區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的。因此，可以使用標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠處理根據(jù)客戶需求創(chuàng)建指示有源 2DEG 區(qū)域的屏蔽 SCCL 孔徑，從而減少器件的有源區(qū)域。如圖 1 所示。

　　SCCL 方法對(duì) GaN HEMT 中的 SCWT 進(jìn)行了改進(jìn)。

　　圖 1：用于改進(jìn) GaN HEMT 中 SCWT 的 SCCL 方法（Bisi 等人，2024）
　　利用SCCL概念，可以通過按比例較小地增加器件R DS(on)來實(shí)現(xiàn)I DSAT的顯著降低。例如，I DSAT減少 3 倍可以通過 R DS(on)增加 0.35 倍來實(shí)現(xiàn)。3 SCCL 還被證明不會(huì)降低器件的斷態(tài)性能。
　　Transphorm 在 400 V V DS下對(duì)其 650 V GaN HEMT 進(jìn)行了 50 次重復(fù) SC 測(cè)試，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài) R DS(on)等器件指標(biāo)沒有下降。SCWT 增加與相應(yīng) R DS(on)增加之間的權(quán)衡可以轉(zhuǎn)化為采用 SCCL 技術(shù)的同一器件的較低額定電流。如圖 2 所示，可對(duì) SCWT 為 0.3 ?s 的 170 A、10 mΩ 器件進(jìn)行修改，以滿足額定值為 145 A 和 15 mΩ 的 5 ?s SCWT。

　　使用 SCCL 將 GaN HEMT SCWT 提高到 5 s，并降低額定值。

　　圖 2：使用 SCCL 將 GaN HEMT SCWT 提高到 5s，并降低額定值
　　SCWT 增加到 5s 會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗顯著增加，如 [1] 中所述。此處，將標(biāo)準(zhǔn)器件與經(jīng)過修改以實(shí)現(xiàn) 5 ?s SCWT 的器件進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)是使用 Si8285 柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 0-12 V 柵極電壓并使用柵極電阻器R gon,off = 5, 15 Ω 獲得的。這里的 GaN 器件是 Transphorm 的級(jí)聯(lián) GaN 產(chǎn)品，采用三引線 TO-247 封裝。數(shù)據(jù)顯示了半橋升壓器在 50 kHz 開關(guān)頻率下將 240 V 電壓轉(zhuǎn)換為 400 V 的性能比較。在較高功率水平下，性能下降可能會(huì)很嚴(yán)重。
　　此比較所代表的示例可能過于保守。Si8285 等商用柵極驅(qū)動(dòng)器可以在不到 1.2s 的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷檢測(cè)。因此，2-3 s 的 SCWT 就足夠了。因此，這限度地減少了開關(guān)損耗權(quán)衡。
　　Transphorm 憑借其 GaN HEMT 器件中使用的 SCCL 技術(shù)，展示了良好的高溫反向偏壓 (HTRB) 可靠性。175 ° C、520V、1,000 小時(shí)的 HTRB 應(yīng)力在 R DS(on)、柵極和漏極泄漏以及 V th等關(guān)鍵器件指標(biāo)上表現(xiàn)出微不足道的變化。