متانة الدائرة القصيرة في أجهزة الطاقة العمودية GaN Fin-JFET

دفعت خصائص المواد المتفوقة لنتريد الغاليوم استخدامه في تطبيقات أجهزة الطاقة. تم تسويق جهاز الترانزستور الجانبي عالي الإلكترون (HEMT) على نطاق واسع من فئات الجهد ، معظمها 650 فولت وما دون. إن قدرة التردد العالي وسعة الجهاز الأصغر لـ GaN HEMTs ، مقارنةً بأجهزة السيليكون وكربيد السيليكون ذات معدلات الجهد المماثلة ، تتيح تحسينات في كفاءة النظام وكثافة الطاقة. ومن ثم ، اكتسبت محولات الطاقة وأجهزة الشحن والمحولات القائمة على GaN HEMT اعتمادًا واسع النطاق في تطبيقات الإلكترونيات الاستهلاكية.

تواجه GaN HEMTs عدة عقبات في استخدامها في تطبيقات السيارات والمحركات الصناعية وشبكات الطاقة. يعد قياس الجهد لاستخدامه في تطبيقات 800-V وما بعده تحديًا من منظور قياس مساحة الجهاز للجهاز الجانبي ، عند مقارنته بأجهزة SiC الرأسية. عامل رئيسي آخر يجب مراعاته في هذه التطبيقات هو متانة الجهاز ذات الدائرة القصيرة (SC). يمكن أن تخلق أخطاء SC في الحمل ظروفًا يكون فيها الجهاز تحت جهد تصريف عالي للمصدر (V_DS) والحالية (أنا_DS). نتيجة لذلك ، يخضع الجهاز لدرجات حرارة عالية ومجالات كهربائية وضغط ميكانيكي. يمكن أن تكون هذه كارثية وتؤدي إلى فشل النظام.

زمن تحمل الدائرة القصيرة (SCWT ، أو t_الشوري) مقياس يستخدم لقياس قدرة الجهاز على تحمل هذه الحالة. تي_الشوري يجب أن يكون طويلاً بما يكفي حتى يقوم سائق البوابة باتخاذ الإجراءات اللازمة وإيقاف تشغيل الجهاز. في Si IGBTs ، فإن t_الشوري يتم تصنيف الوقت عادةً عند حوالي 10 s ، بينما تكون SiC MOSFETs الحالية عادةً في نطاق 3-s ، مع أنشطة بحثية نشطة لتوسيع هذا بشكل أكبر. أفادت العديد من الدراسات حول HEMTs بطاقة GaN بأوقات أقصر بكثير ، خاصة عند الفولتية القريبة من الحد الأقصى للجهاز V_DS التقييمات ، مع العديد من التقارير التي تظهر ر_الشوري <500 نانوثانية لـ V._DS > 400 فولت.

تم تقديم منطقة تشغيل آمنة SCWT في المرجع 1 ، حيث أظهر المؤلفون أيضًا أنه على الرغم من أن HEMT نجا من حدث SCWT واحد (مع في_الشوري > 300 ميكروثانية) عند_DS 400 فولت ، نتج عن أحداث SC المتكررة في_الشوري من 20 نانوثانية فقط. في دراسة أخرى ،² تم تحديد فشل SC في GaN HEMTs نتيجة انتشار المجالات الكهربائية العالية من البوابة إلى الصرف. في هذه المقالة ، سنقدم أداء SC على جهاز Fin-JFET GaN العمودي من العمل الذي قامت به مجموعة في مركز أنظمة إلكترونيات الطاقة في معهد Virginia Polytechnic وجامعة الولاية و NexGen Power Systems.^3،4 هذا الجهاز في طور التسويق من قبل شركة NexGen Power Systems.

يظهر المقطع العرضي المبسط لـ GaN Fin-JFET في الشكل 1. يتكون JFET من مجموعة من زعانف n-GaN بطول 1 ميكرومتر وتصميم شامل للبوابة p + GaN. بعض خصائص الجهاز الذي تم اختباره هي:

• 650 فولت_DS تقييم
• 0.1 ملم² منطقة نشطة للجهاز ، مجمعة إما في عبوات TO-247 أو DFN 56
• ~ 0.7-V عتبة الجهد (V_ذ)
• ~ 0.7 م 3 سم² المقاومة على مستوى الدولة (R_{DS (تشغيل)}) عند 25 درجة مئوية و 3 فولت جهد مصدر البوابة (V_ع)
• ~ 4.8-A تشبع الجهاز الحالي (I._DSAT) عند 25 درجة مئوية
• ~ 800-V جهد ​​انهيار الانهيار الجليدي (BV_AVA) عند 25 درجة مئوية

نتائج SC

يوضح الشكل 2 الأشكال الموجية للبوابة والتصريف لهذه الأجهزة المأخوذة إلى حدث واحد SC فاشل عند مختلف V._DS الفولتية.

لجهد ناقل 400 فولت (V_حافلة = V._DS) ، الجزء يبقى على قيد الحياة عند_الشوري > 30 µs ، بينما عند 600 V ، يكون t_الشوري ~ 17 مللي ثانية. تحت BV_AVA الخامس_حافلة = 800-V الشرط ، الجزء لا يزال على قيد الحياة_الشوري > 10 ميكروثانية.

تفشل الأجزاء SC في وضع الفشل في الفتح (FTO) ، والذي يتضح من الشكل 3. هذا يقارن I_DS-الخامس_DS فشل الشكل الموجي بين جزء جديد والجزء الذي تم أخذه من خلال اختبار SC. تُظهر خصائص BV الجزء الفاشل مع سلوك جيد لتقاطع المصدر والصرف ، إلى جانب زيادة طفيفة في تسرب البوابة (I._جي).

تُظهر هذه الأجزاء أيضًا أداءً قويًا في ظل اختبارات SC المتكررة. يوضح الشكل 4 مقارنات تشغيل واختبار النبضة المزدوجة (DPT) بين جزء جديد ، مقابل جزء تعرض لـ 30.000 دورة من أحداث SC 10-s عند V_حافلة 400 فولت. هذه الأشكال الموجية ، مع تبديل الأجزاء عند 400 فولت / 4 أمبير ، لا تظهر أي تدهور من دورات SC المتكررة.

في V_حافلة من 600 فولت ، نجت الأجزاء من اختبارات SC 10-s إلى> 8000 دورة. شوهد فشل تدريجي غير مدمر في أجزاء بعد الدورة رقم 8786 إلى الفشل النهائي في الدورة رقم 9785. يتم الاحتفاظ بوظيفة البوابة بين هذه الدورات ، مع I_د يتناقص تدريجيا. يظهر الشكل 5 خصائص خرج الجهاز أثناء هذه الظروف.

مناقشة نتائج SC

ت_الشوري سجلت الأوقات التي تم قياسها على هذا الجهاز رقمًا قياسيًا جديدًا لأجهزة طاقة GaN. تظهر الأشكال الموجية في الشكل 2 انخفاضًا سريعًا في I_DSAT، وهذا عامل تمكين رئيسي في متانة الجهاز SC.

لمزيد من فهم هذا أنا_DSAT خلال حدث SC ، فلنلقِ نظرة على العوامل التي تؤثر على ذلك. يوضح الشكل 6 محاكاة لكثافة التيار الإجمالية عند V_DS 3 فولت و 400 فولت.يُرى تضيق كبير في قناة الزعنفة بالقرب من قاع الزعنفة عند الجهد العالي.

أنا_DSAT في أسفل القناة يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

أنا_DSAT = ف × ن × أ × الخامس_قعد

هنا، ف هي شحنة الإلكترون ، ن هي كثافة الناقل ، أ هو المقطع العرضي للمنطقة في أضيق مسار حالي و الخامس_قعد هي سرعة التشبع. تظهر المحاكاة انخفاض ن و أ في الجزء السفلي من القناة بسبب تأثيرات النضوب والقرص في القناة عند تحيزات التصريف الأعلى في هيكل JFET. إضافي، الخامس_قعد ينخفض ​​أيضًا بشكل طبيعي مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب انخفاض حركة الناقل. تظهر المحاكاة درجة الحرارة القصوى (T_ي) مع أضيق موقع مسار حالي عند سفح القناة ، مما يساعد على خفض الخامس_قعد. يؤدي الجمع بين هذه العوامل إلى انخفاض كبير في أنا_DSATخلال أحداث SC. هذا ، بدوره ، يقلل من الضغط على الجهاز ، مما يتيح لوقت أطول_الشوري أوقات الصمود.

يعد وضع FTO مفيدًا ، لأنه يسمح لموصلة تصريف المصدر بالحفاظ على جهد الناقل حتى بعد فشل الجهاز. يوضح الشكل 7 محاكاة ذروة المجال الكهربائي عند V._DS يقترب من BV_AVA تحت ظروف SC. تقع الذروة عند تقاطع بوابة الصرف وبالتالي يتم فصلها مكانيًا عن موقع كثافة الذروة الحالية. هذا يختلف عن SiC MOSFETs ، حيث تتطابق حقول الذروة الحالية والكهربائية في منطقة p-base / n-drift. يمكن أن يؤدي ذلك بعد ذلك إلى هروب مزلاج / حراري من تشغيل الترانزستور ثنائي القطب الطفيلي وعادة ما يؤدي إلى إنشاء توقيع فشل قصير في SiC MOSFETs.

تظهر عمليات المحاكاة على GaN Fin-JFET أيضًا أن الإزالة الفعالة للفتحات التي تم إنشاؤها أثناء أحداث SC هي عامل رئيسي في تحسين قدرة SC عند الفولتية بالقرب من BV_AVA. في ظل هذه الظروف ، تصل معدلات التأين بالصدمات إلى ذروتها عند سفح قناة الزعنفة. تظهر المحاكاة أن المسار السائد لإزالة الثقب يكون عبر بوابة p-GaN. يتم حقن هذه الثقوب في البوابة ثم تسهل ضخ الإلكترونات من المصدر لإعادة الاتحاد معها ، من خلال عملية توصف بأنها “الانهيار الجليدي من خلال الزعانف”.⁵

باختصار ، تُظهر أجهزة Fin-JFET GaN الرأسية 650 فولت هذه القدرة على تحمل SC فردية ومتكررة ممتازة ، حتى عند الفولتية عند أو بالقرب من جهد انهيار الجهاز. هذا يمكن أن يجعلها مناسبة تمامًا للاستخدام في تطبيقات السيارات القاسية والمحركات الصناعية وشبكات الطاقة.

مراجع

¹صن وآخرون. (سبتمبر 2021). “قدرة الدائرة القصيرة محولات الطاقة وأجهزة الشحن والمحولات المستندة إلى ChGaN HEMT اكتسبت اعتمادًا واسع النطاق في تطبيقات الإلكترونيات الاستهلاكية. ص-GaN Gate High-Electron-Mobility Transistors تحت اختبارات فردية ومتكررة “. معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية.

²هوانج وآخرون. (أغسطس 2021). “تقدير قدرة الدائرة القصيرة لـ GaN HEMTs باستخدام القياس العابر.” رسائل جهاز IEEE Electron ، المجلد. 42 ، رقم 8 ، ص 1208-1211.

³تشانغ وآخرون. (مايو 2022). “متانة استثنائية لدائرة قصر مكررة لزعانف GaN-JFET الرأسية عند الجهد العالي.” الندوة الدولية الرابعة والثلاثين لعام 2022 حول أجهزة أشباه موصلات الطاقة والدوائر المتكاملة (ISPSD) ، دوى: 10.1109 / ISPSD49238.2022.9813618.

⁴تشانغ وآخرون. (مارس 2022). “Vertical GaN Fin JFET: جهاز طاقة ذو متانة ماس كهربائى عند جهد انهيار الانهيار الجليدي.” ندوة فيزياء الموثوقية الدولية لعام 2022 (IRPS) ، دوى: 10.1109 / IRPS48227. 2022.9764569.

⁵تشانغ وآخرون. (يونيو 2022). “متانة اختراق ماس كهربائى موضحة في عمودي GaN Fin JFET.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 37 ، العدد 6.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل العمليات / الأجهزة في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com