متانة الجهد الزائد للبوابة في الدائرة المتكاملة p-Gate GaN HEMT

توفر أجهزة نيتريد الغاليوم (GaN) المستخدمة في محولات الطاقة العديد من المزايا بما في ذلك الكفاءة الأعلى وكثافة الطاقة والتبديل عالي التردد. شهد جهاز طاقة ترانزستور التنقل عالي الإلكترون (HEMT) GaN نموًا قويًا في السوق في مثل هذه التطبيقات. يمثل محرك البوابة الخاص بجهاز وضع الاستنفاد هذا تحديًا جوهريًا، مع تقديم العديد من الحلول لتحويل هذا إلى عملية قوية في وضع التحسين. في هذه المقالة، نلخص العرض التقديمي الذي تم تقديمه في مؤتمر APEC 2024 بواسطة Bixuan Wang، CPES، Virginia Tech، الولايات المتحدة الأمريكية، وفريق يضم موظفين من Cambridge GaN Devices، المملكة المتحدة. في هذا العمل، تمت دراسة متانة الجهد الزائد للبوابة لـ p-gate GaN HEMT الذي يتميز بواجهة البوابة المتكاملة والحماية.

بعض التحديات مع p-gate GaN HEMT

من بين الخيارات المتنوعة لإنشاء تقنية GaN لوضع التحسين، برز p-gate GaN HEMT كجهاز مفضل. تعمل إضافة طبقة من النوع p المطعمة بالمغنيسيوم أسفل البوابة المعدنية على تغيير فجوة النطاق ومن ثم جهد العتبة V_ذ الجهاز في النطاق الإيجابي. تم تسويق إصدار حاجز شوتكي المعدني لهذا الجهاز (SP-HEMT) من قبل العديد من الشركات المصنعة للأجهزة والمسابك، مع نطاق فئة الجهد من 15 إلى 650 فولت._ذ عادةً ما يكون جهد هذا الجهاز أقل من 2 فولت. يمكن أن يؤدي انخفاض Vth إلى جعل الجهاز أكثر عرضة للضوضاء، خاصة الناتجة عن التحولات العابرة التي تم إنشاؤها من التردد العالي ومعدل الدوران العالي الذي تستطيع هذه الأجهزة القيام به.

يمثل التشغيل الطفيلي للجهاز خطرًا من اقتران سعة ميلر لبوابة التصريف. غالبًا ما يستلزم هذا الخطر استخدام جهد سالب للبوابة خارج الحالة (V_ع) يقود. هناك قيد آخر يأتي من مشكلات الموثوقية الناتجة عن استخدام محرك بوابة عالي الجهد عند التشغيل. يبدأ اتصال البوابة عادةً عند V_ع > 7 V. تؤدي التأثيرات المرتبطة بالمصيدة إلى حدوث تغييرات في جهد العتبة، ويمكن أن تؤدي الموجات الحاملة الساخنة أيضًا إلى زيادة المقاومة الديناميكية على الحالة (RDSon). يؤدي هذا إلى إنشاء نافذة عليا لـ V-state_ع، عادة حوالي 6.5 فولت.

يمكن ضبط النافذة السفلية لـ Vgs الموجودة على الحالة بواسطة RDSon، والتي تحتاج عادةً إلى> 4V أو نحو ذلك للوصول إلى مستوى منخفض مشبع. ومن ثم يمكن أن تكون نافذة التشغيل الإجمالية صغيرة (4 فولت – 6.5 فولت). وبالتالي فإن هامش زيادة السرعة للبوابة محدود جدًا (حوالي 1 فولت). لا يمكن استخدام برامج تشغيل البوابة القياسية المعتمدة على تشغيل Si MOSFETs بسهولة، مما يتطلب العديد من المكونات الخارجية وبالتالي زيادة تعقيد لوحة المحول وتكلفتها. يمكن أن يكون تصميم اللوحة وتخطيطها أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على المسارات الحثية صغيرة، ويزداد هذا التعقيد باستخدام جهاز GaN الذي يحتوي على هامش ضوضاء منخفض والعديد من المكونات الخارجية للتفاعل مع برنامج تشغيل البوابة.

حل GaN المتكامل

Cambridge GaN Devices هي شركة أشباه موصلات غير قابلة للتصنيع قامت بتطوير مجموعة من أجهزة الطاقة GaN-on-Silicon التي تم تصنيفها عند 650 فولت. واجهة بوابة جديدة تسمى ICeGaN، بالإضافة إلى دوائر الاستشعار والحماية مدمجة بشكل متجانس في حل قالب واحد. رسم تخطيطي للكتلة من ICeGaN تظهر الدائرة في الشكل 1. الطاقة الرئيسية لـ HEMT هي Schottky p-gate GaN HEMT مُصنفة عند 650 فولت وV_ذ حوالي 1.6 فولت

يعد GaN HEMT المساعد ذو الجهد المنخفض، جنبًا إلى جنب مع المصدر الحالي ومحدد الجهد، مسؤولاً عن امتصاص جزء كبير من جهد البوابة المطبق خارجيًا. الجهد المرئي عند بوابة جهاز HEMT للطاقة (يسمى البوابة الداخلية أو V_جي في الشكل 1) وبالتالي يتم التحكم فيها بعناية. تضمن هذه الدائرة عدم تشغيل الطاقة HEMT حتى جهد البوابة الخارجية V_ز وصل إلى حوالي 2.7 فولت (هذا هو الجهاز المدمج V_ذ) ، عند هذه النقطة V_جي يرى حوالي 1.6 فولت. بالنسبة للجهود فوق هذا عندما يكون V_ز <7 الخامس، الخامس_جي يتبع جهد البوابة لـ HEMT V المساعد_{جي، أوكس} حسب المعادلة V_جي = الخامس_{جي، أوكس} – الخامس_{ع، أوكس}. في V_ز > 7V، V_{جي، ايه يو اكس} يتم تثبيته بجهد ثابت ومن ثم V_جي يقتصر على حوالي 5.5 فولت.

العلاقة بين V_ز و V_جي هو موضح في الشكل 2. وهذا يسمح باستخدام برامج تشغيل البوابة القياسية للـ V الخارجي_ز. ميزة أخرى لـ ICeGaN الواجهة هي أن دائرة التثبيت تخلق انخفاضًا في V_جي في ارتفاع V_ز القيم عند درجات حرارة منخفضة مقارنة بدرجات الحرارة المرتفعة، وبالتالي تقليل إحدى آليات التحلل التي تظهر في GaN HEMTs¹.

يعد Miller Clamp جهاز حماية مهمًا في ظل التشغيل الديناميكي. يتمتع هذا الجهاز بحالة قابلة للضبط بحيث يكون في حالة مقاومة عالية خارج الحالة في ظل الظروف العادية عند تشغيل طاقة GaN. عند إيقاف التشغيل، فهو قادر على سحب V بقوة_جي إلى 0 فولت، مما يؤدي إلى تسريع عملية إيقاف التشغيل وتقليل شحن البوابة. يوفر مشبك ميلر أيضًا مناعة قوية ضد تشغيل الطفيليات أثناء العمليات العابرة الخارجية وأحداث التبديل السريع.

بوابة الإفراط في الجهد المتانة

في هذه الدراسة التي أجراها وانغ ومجموعته، تم تحديد حدود الجهد الزائد للبوابة الديناميكية لـ ICeGaN تتم دراستها. 650 فولت/130 مللي أوم آي سيجان يتم استخدام المنتج. الواجهة الذكية مدعومة بجهد خارجي 12 – 20 فولت_د الجهد، كما هو مبين في الشكل 1. يتم إنشاء تجاوز جهد الرنين إما عند V_ز أو V_جي، والذي يحاكي تجاوز البوابة الذي يمكن رؤيته في محولات الطاقة. يتم إجراء الاختبار في ظل حالة ثابتة حيث يتم تأريض مصدر تصريف الطاقة GaN (يُطلق عليه DSG، مع V_س = 0V) الذي يحاكي حالة التبديل ذات الجهد الصفري، بالإضافة إلى حالة التبديل الثابت (HSW) عند جهد ناقل 400 فولت وحمل حثي. تظهر مخططات منصة الاختبار في الشكل 3.

تولد دائرة الاختبار هذه تجاوزًا من خلال بناء الطاقة في محث حلقة البوابة L_ز، والتي يتم شحنها بواسطة 0.5 VV_نسخة مصدر التيار. المحول S1 عبارة عن GaN HEMT منخفض الجهد. عندما يتم إيقاف تشغيل S1 الطاقة في L_ز يخلق تجاوز الرنين، مع الرنين الناتج عن L_ز ومجموع سعة الإدخال لـ ICeGaN والسعة الانتاجية S1. يمكن تعديل عرض النبض للتجاوز بواسطة L_ز القيمة والتجاوز بحلول وقت S1. تم استخدام عرض 20 نانوثانية في هذا العمل. تم اختبار الأجهزة في 25^سج و150^سC. المتغير الآخر المستخدم هو V_د توريد ICeGaN رقاقة. في إحدى الحالات تم ضبطه على 20 فولت، بينما في حالة أخرى تم ربطه بمصدر إمداد البوابة الخارجية. يزيل الشرط الأخير إجهاد الجهد الزائد في دائرة حماية ESD.

يتم قياس متانة الجهد الزائد للبوابة الديناميكية بواسطة المعلمة BV_{جي، دين} مما يشير إلى الحد الأقصى لجهد الجهد الزائد للبوابة قبل فشل الجزء. يتم عرض النتائج التي تم الحصول عليها في الجدول المتضمن في الشكل 3. مع تطبيق الجهد الزائد مباشرة على البوابة الداخلية، فإن BV_{جي، دين} يتم الحصول على قيمة 33-35 فولت، في حين يتم زيادتها إلى 66-72 فولت عند تطبيق الضغط على دبوس البوابة الخارجية لـ ICeGaN مع V_د عند 20 فولت. عندما يكون V_د يتم اختصار الدبوس إلى البوابة الخارجية، BV_{جي، دين} زيادة أخرى إلى 84 -92 فولت. يشير تحليل الفشل في الحالة التي يتم فيها تشغيل VDD بواسطة مصدر خارجي 20 فولت إلى أن كتلة الحماية ESD في ICeGaN كانت الشريحة هي كتلة الفشل المحتملة. تُظهر الخصائص البارامترية عند الفشل قصرًا في مصدر البوابة. أظهر الفشل في حالة قصر VDD إلى البوابة الخارجية تغيرات طفيفة في خصائص النقل بعد الفشل. يُعزى الفشل هنا إلى تدهور مشبك ميلر، مما يؤدي إلى فشل بسيط.

أظهرت الزيادة الكبيرة في BV_{جي، دين} يُظهر حماية البوابة الممتازة التي يوفرها ICeGaN واجهة البوابة. يمكن أن يكون هذا التحسن في متانة البوابة من خلال حل متكامل فائدة أساسية في استخدام ICeGaN الجهاز في تطبيقات محول الطاقة.

مراجع

¹ K. Mukherjee، M. Arnold، J. Zhang، K. Ledins، M. Michalak، O. Fung، L. Efthymiou، Z. Ansari، G. Longobardi، F. Udrea، “توصيف رواية ICeGaN 650V / 8.5 A ، تقنية جهاز طاقة 200 متر مكعب”، منشورة على موقع ScienceDirect

ظهرت قوة الجهد الزائد للبوابة في الدائرة المتكاملة p-Gate GaN HEMT لأول مرة على Power Electronics News.