Overvoltage Robustness of p-Gate GaN HEMTs in High Frequency Switching up to Megahertz

过电压 电气工程 高电子迁移率晶体管 晶体管 材料科学 光电子学 计算机科学 拓扑(电路) 电压 工程类
作者
Ruizhe Zhang,Qihao Song,Qiang Li,Yuhao Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (5): 6063-6072 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tpel.2023.3237985
摘要

This article investigates the ruggedness of the GaN high electron mobility transistor (HEMT), a power device without avalanche capability, in continuous, high-frequency, overvoltage switching. A testbed based on a zero-voltage-switched converter with an active clamping circuit is developed to enable the stable switching with kilovolt overvoltage and megahertz frequency. The overvoltage failure boundaries and mechanisms of four commercial p-gate GaN HEMTs from multiple vendors are explored. Besides the electrical failure at the dynamic breakdown voltage (BV DYN ), two new failure mechanisms are observed in some devices. One mechanism features a drastic, nearly unrecoverable on- resistance increase, leading to conduction loss ramp-up and thermal failure. The other mechanism exhibits an increase in drain leakage current and a catastrophic breakdown at lower blocking voltage. Both mechanisms are found to occur only at high frequency (>100 kHz) and decrease the BV DYN by at least 30%, and they can be attributed to the serious carrier trapping in GaN HEMTs under the high-frequency overvoltage switching. Finally, we provide a simple method for device users to filter out devices with these extrinsic failure mechanisms and identify the intrinsic BV DYN of GaN HEMTs, which deploys a simple unclamped inductive switching circuit. These results provide critical reference for the protection and qualification of GaN power HEMTs.
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