Analysis and Modeling of a 650 V GaN-based Half Bridge during Short Circuit operation

Seguendo la visione di un futuro verde e sostenibile, l'uso di semiconduttori di tipo Wide Band Gap (WBG) nell'elettronica di potenza è di fondamentale importanza, poiché le loro proprietà fisiche consentono di ottenere le massime prestazioni nella conversione di energia in termini di efficienza e densità di potenza. I MOSFET di potenza al carburo di silicio (SiC) sono oggi i leader dei mercati industriali, delle energie rinnovabili e dell'automotive grazie alla loro ampia gamma di tensioni di bloccaggio (650-, 1200-, 1700- V), alla bassa resistenza in on e ai rapidi tempi di commutazione. Allo stesso tempo, offrono prestazioni eccellenti in termini di robustezza e affidabilità, caratteristiche fondamentali per tutte le applicazioni commerciali. Tuttavia, i MOSFET in SiC sembrano aver raggiunto il loro limite tecnologico, mentre prestazioni ancora migliori possono essere ottenute con i transistor ad alta mobilità elettronica al nitruro di gallio (GaN HEMT), che negli ultimi anni hanno suscitato un notevole interesse nella comunità industriale e accademica. Anche se i transistor in GaN sono nati come dispositivi normalmente accesi, trovando spazio nelle applicazioni di radio- e audio-frequenza, la possibilità di ottenere dispositivi di potenza con una resistenza in on molto bassa e caratteristiche di commutazione estremamente veloci ha spinto lo sviluppo di dispositivi in GaN normalmente spenti per applicazioni di potenza. Tuttavia, la loro struttura laterale limita la tensione massima di bloccaggio a 650 V, mentre la minore conducibilità termica costringe una temperatura di esercizio inferiore a 150 °C. Inoltre, l'affidabilità e la resistenza al cortocircuito (SC) degli HEMT sono inferiori rispetto ai dispositivi in SiC e Si, riducendo fortemente i loro vantaggi e impedendone l'uso diffuso nelle applicazioni commerciali. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi si concentra sul funzionamento in cortocircuito di un Half Bridge (HB) con dispositivi in GaN da 650 V, valutando l'influenza di vari parametri operativi, tra cui la tensione del DC-link e la resistenza di gate. Le caratterizzazioni in cortocircuito presentate in letteratura si concentrano su un singolo dispositivo, spesso operante in condizioni lontane dall'applicazione reale, ad esempio con una grande resistenza di gate. Lo studio proposto in questa tesi indaga il caso reale del funzionamento in cortocircuito di un HB, determinando l'impatto che può avere un altro dispositivo identico e le interazioni tra i due HEMT. Da un’analisi comparativa dei risultati sperimentali presenti in letteratura e dei risultati preliminari delle simulazioni, si notano differenze significative che hanno condotto allo sviluppo di un modello per la corrente di drain e di gate dell’HEMT oggetto di studio. Dopo aver progettato e realizzato un prototipo per i test, è stata eseguita una caratterizzazione I - V per la corrente di drain e di gate, i cui risultati sono stati utilizzati per ricavare semplici modelli comportamentali per entrambe le correnti di drain e di gate, ottenendo una buona accuratezza. Il modello comportamentale sviluppato per l’HEMT in GaN, adatto sia alle condizioni operative nominali che al funzionamento in cortocircuito, viene integrato con il modello LTSpice del produttore e utilizzato per simulare accuratamente il comportamento dei dispositivi durante il cortocircuito, dando anche la possibilità di determinare l'impatto della corrente di leakage di gate sul meccanismo di autoregolazione della corrente di cortocircuito. I test sperimentali in cortocircuito sono condotti sulla scheda realizzata, confermando l'analisi teorica ed evidenziando gli effetti della tensione del bus DC, l'impatto dell'utilizzo di una grande resistenza di gate e la presenza di differenze nel circuito dei due transistor. Inoltre sono calcolate la potenza e l'energia in cortocircuito ed è fornita una stima della temperatura per entrambi i dispositivi per valutare il diverso stress elettrotermico sugli HEMT. Il modello proposto è validato confrontando le simulazioni LTSpice con i risultati sperimentali in tutte le condizioni di test. Infine, viene studiata la possibilità di sfruttare il modello proposto per la corrente di leakage di gate per stimare la temperatura di giunzione dell’HEMT e viene verificata stimando la temperatura raggiunta dai dispositivi durante il cortocircuito.

Following the vision of a green and sustainable future, the use of Wide Band Gap (WBG) semiconductors in Power Electronics is of paramount importance, since their physical properties enable the achievement of the highest performances in the energy conversion processes in terms of efficiency and power density. Silicon Carbide (SiC) power MOSFETs are now the leaders of the industrial, renewable and automotive markets thanks to their wide range of breakdown voltages (650-, 1200-, 1700- V), low on-resistance and fast switching times. At the same time, they offer excellent performances in terms of robustness and reliability, key features for all commercial applications. However, SiC MOSFETs seem to have reached their technological limit, while even better performances can be reached using Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN HEMTs), which have attracted significant interest in the industrial and academic communities in recent years. Even if GaN transistors were born as normally-on devices, finding space in radio- and audio-frequency applications, the possibility to obtain power devices with very low on-resistance and extremely fast switching characteristics has prompted the development of normally-off GaN devices for power applications. However, the lateral structure limits the maximum breakdown voltage to 650 V, while the lower thermal conductivity forces the operating temperature to be lower than 150 °C. Furthermore, the reliability and the Short Circuit (SC) robustness of GaN HEMTs are lower in comparison to SiC and Si devices, strongly reducing their advantages and preventing their widespread use in commercial applications. In this perspective, this thesis focuses on the SC operation of a 650 V GaN-based Half Bridge (HB), evaluating the influence of various operating parameters, including the DC-link voltage and the gate resistance. The SC characterizations presented in the literature focus on a single device, often operating in conditions far from the real application, e.g. with a large gate resistor. The study proposed in this thesis investigates the real case of the SC operation of a HB, determining the impact that another identical device can have on the SC and the interactions between the two GaN HEMTs. From a comparative analysis of experimental results in the literature and preliminary simulation results, significant differences are noticed, leading towards the development of a model for the drain and gate current of the GaN HEMT under study. After designing and realizing a prototype test board, an I – V characterization is performed for the drain and gate current, whose results are used to derive simple behavioral models for both drain and gate currents, achieving good accuracy. The behavioral model developed for the GaN HEMT, suitable for both nominal operating conditions and SC operation, is integrated with the manufacturer’s LTSpice model and used to accurately simulate the behavior of the devices during the SC, giving also the possibility to determine the impact of the gate leakage current on the self-regulation mechanism of the SC current. Experimental SC tests are led on the realized board, confirming the theoretical analysis and highlighting the effects of the DC-link voltage, the impact of using large gate resistance and the presence of mismatches in the circuit of the two transistors. Moreover, the SC power and energy are computed and a temperature estimation is provided for both devices to evaluate the different electro-thermal stress on the GaN HEMTs. The proposed model is validated by comparing the LTSpice simulations with the experimental results in all the tested conditions. Finally, the possibility to exploit the proposed gate leakage current model to estimate the junction temperature of the GaN HEMT is investigated and is verified evaluating the temperature reached by the devices during the SC event.