تحسين وقت تحمل الدائرة القصيرة في أجهزة الطاقة GaN HEMT

يمكن أن يؤدي اعتماد أجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) في تحويل طاقة المحرك الصناعي إلى تحسين كفاءة النظام وكثافة الطاقة بشكل كبير وتوفير مزايا أخرى، مثل ضوضاء مسموعة أقل وتحكم أكثر دقة من التبديل الأسرع. يعد انخفاض خسائر التحويل في هذه التطبيقات جزءًا أساسيًا من تحقيق صافي بصمة كربونية صفرية لمكافحة تغير المناخ، حيث تمثل محركات السيارات 60٪ من إجمالي استخدام الكهرباء. في هذه المقالة، سنناقش المعلمة الرئيسية، وهي زمن تحمل الدائرة القصيرة (SCWT)، في أجهزة الطاقة HEMT من نيتريد الغاليوم (GaN). هذه المقالة هي ملخص للعرض الذي قدمه دافيد بيسي وزملاؤه من Transphorm، وكذلك Yaskawa Electric، في مؤتمر APEC 2024.¹

متانة ماس كهربائى

يمكن أن تؤدي البيئة القاسية التي تعمل فيها محركات المحركات إلى مستويات تيار زائد نتيجة لظروف الأعطال مثل تسرب العاكس وانهيار العزل في ملفات المحرك. تحتاج أجهزة الطاقة إلى تحمل هذه الأحداث طوال الوقت اللازم لدوائر استشعار الحماية لتشغيل محرك المحرك وإيقاف تشغيله. يتميز حدث SC عادةً بما يلي:

• مزيج من جهد التصريف العالي (V_س) واستنزاف التيار (I_س). التيار المتدفق في هذه الحالة هو تيار التشبع (I_دسات) من الجهاز.
• تظهر الكثافة الحالية عادة ذروة حادة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة.
• يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى إنشاء آلية ردود فعل إيجابية بسبب انخفاض جهد العتبة (V_ذ). يمكن دمج ذلك مع خفض الحاجز الناتج عن التصريف بسبب ارتفاع V_س.
• يمكن أن تؤدي المجالات الكهربائية العالية وزيادة درجة الحرارة إلى زيادة تسرب البوابة والصرف. يمكن استرداد التأثير إذا تم إيقاف تشغيل الجهاز خلال فترة الصمود.
• من المعروف أن أحداث SC المتكررة تؤدي إلى زيادة الضغط وفشل الجهاز.
• يمكن للأجهزة التي تحتوي على أكسيد البوابة مثل MOSFETs وMISFETs رؤية فشل أكسيد البوابة.
• ارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يؤدي إلى ذوبان الطبقات المعدنية للجهاز، مثل الألومنيوم. هذه التأثيرات الأخيرة كارثية ويمكن أن تؤدي إلى فشل النظام.

يعد SCWT مقياسًا رئيسيًا يستخدم لقياس الحد الأدنى من الوقت الذي يمكن للجهاز أن يتحمل فيه حدث SC. عادةً ما يتم تصنيف أجهزة IGBT السيليكونية عند SCWTs لأكثر من 10 ميكروثانية، بينما بالنسبة لدوائر MOSFET من كربيد السيليكون، فإن هذا أقل بكثير، عند حوالي 3-5 ميكروثانية. تعمل أجهزة WBG عادةً بكثافة طاقة أعلى، وبالتالي يمكن أن تظهر ارتفاعًا حادًا في درجة الحرارة في ظل ظروف SC. تحتوي أجهزة GaN HEMTs الجانبية على قناة غاز إلكترون ثنائية الأبعاد عالية الكثافة (2DEG) يمكنها توفير كثافات تيار تشبع عالية عند البوابة العالية وجهود التصريف. أبلغت الدراسات عن وجود SCWTs أقل بكثير من 1 ميكروثانية لـ 650-V GaN HEMTs في ظل أحداث SC المتكررة عند جهد ناقل يبلغ 400 فولت.² يعد الحبس الحراري وعدم تطابق التوصيل الحراري بين الطبقات الموجودة في الجهاز من العوامل الرئيسية لضعف SCWT.

كشف SC

لدى سائقي البوابة طرق مختلفة لاستشعار الدائرة القصيرة والتحكم فيها. هناك طريقتان شائعتان الاستخدام هما:

• الكشف عن عدم التشبع: كما هو مبين في الشكل 1، فإن V_س يتم استشعار حجم الجهاز بواسطة مكثف، يسمى مكثف التقطيع، الذي يثبت الجهد الأمامي في ظل التشغيل العادي للجهاز. في ظل حدث SC، يتم شحن هذا الجهد حتى عتبة الجهد الذي يؤدي إلى إيقاف تشغيل الجهاز. يتم التحكم في وقت الشحن، المعروف باسم وقت التقطيع، لمنع التشغيل الخاطئ من تحولات التشغيل.
• مقاومة التحويل: يتمتع كشف التيار الزائد هذا بميزة الدقة الجيدة عبر درجات الحرارة، في حين أن العيب هو فقدان الطاقة المرتبط به.

تحسين GaN HEMT SCWT

لدى Transphorm تقنية حاصلة على براءة اختراع تسمى محدد تيار الدائرة القصيرة (SCCL). الهدف هنا هو تقليل الجهاز I_دسات، والذي يتم تحقيقه عن طريق إزالة المناطق في قناة 2DEG باستخدام عملية خاصة. ومن ثم يمكن إنشاء فتحة SCCL مقنعة، تشير إلى مناطق 2DEG النشطة، مما يقلل من المنطقة النشطة للجهاز بناءً على احتياجات العميل باستخدام معالجة FAB القياسية. وهذا موضح في الشكل 1.

مع مفهوم SCCL، تم تحقيق انخفاض كبير في I_دسات يمكن تحقيق ذلك من خلال زيادة أصغر نسبيًا في الجهاز R_{DS (على)}. على سبيل المثال، تخفيض 3× في I_دسات يمكن تحقيق ذلك بزيادة قدرها 0.35 × في R_{DS (على)}.³ كما تبين أيضًا أن SCCL لا يؤدي إلى انخفاض أداء الجهاز خارج الحالة.

قامت Transphorm بإجراء اختبار SC متكرر 50 × على GaN HEMTs بقدرة 650 فولت عند V_س 400 فولت ولم تشهد أي تدهور في مقاييس الجهاز مثل R الديناميكي_{DS (على)}. تزداد المقايضة في SCWT مع R المقابلة_{DS (على)} يمكن ترجمة الزيادة إلى تصنيف تيار أقل لنفس الجهاز باستخدام تقنية SCCL. كما هو موضح في الشكل 2، يمكن تعديل الجهاز 170-A، 10 mΩ مع SCWT بقيمة 0.3 μs ليتوافق مع SCWT 5-mics مع تصنيفات 145 A و15 mΩ.

تؤدي زيادة SCWT إلى 5 s إلى زيادة كبيرة في خسائر التبديل، كما هو موضح في [1]. هنا، تتم مقارنة الجهاز القياسي مع الجهاز المعدل لتمكين SCWT من 5 ميكروثانية. تم الحصول على البيانات باستخدام برنامج تشغيل البوابة Si8285 الذي يقود جهد البوابة من 0 إلى 12 فولت ويستخدم مقاومات البوابة ر_{غون، قبالة} = 5، 15 أوم. أجهزة GaN هنا هي منتجات GaN المُشفرة من Transphorm في حزمة TO-247 ثلاثية الرصاص. تُظهر البيانات مقارنة أداء تعزيز نصف الجسر الذي يحول 240 فولت إلى 400 فولت أثناء التبديل عند 50 كيلو هرتز. يمكن أن يكون تدهور الأداء كبيرًا عند مستويات الطاقة الأعلى.

تمثل هذه المقارنة مثالا قد يكون متحفظا للغاية. يمكن لسائقي البوابات التجارية مثل Si8285 تحقيق الكشف عند إيقاف التشغيل في أقل من 1.2 ميكروثانية. ومن ثم، ينبغي أن يكون SCWT من 2-3 ميكروثانية كافياً. وهذا بالتالي يقلل من مقايضة خسارة التبديل.

أثبتت Transphorm موثوقية جيدة في التحيز العكسي لدرجة الحرارة العالية (HTRB) مع تقنية SCCL المستخدمة في أجهزة GaN HEMT الخاصة بها. أ 175^°أظهر ضغط HTRB C، 520-V، 1000 ساعة تغيرًا طفيفًا في مقاييس الجهاز الرئيسية مثل R_{DS (على)}، تسرب البوابة والصرف، و V_ذ.

مراجع

¹بيسي وآخرون. (2024). “جهاز GaN سعة 15 مللي أوم مع زمن تحمل للدائرة القصيرة 5 ميكرو ثانية.” مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

²صن وآخرون. (2021). “توصيف قدرة الدائرة القصيرة وتحليل ترانزستورات بوابة p-GaN عالية الحركة الإلكترونية تحت اختبارات فردية ومتكررة.” معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية.

³بيسي وآخرون. (2021). “إظهار قدرة الدائرة القصيرة لمفاتيح طاقة GaN.” مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

ظهر المنشور تحسين وقت تحمل الدائرة القصيرة في أجهزة الطاقة GaN HEMT لأول مرة على Power Electronics News.