氮化鎵功率器件技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
3 o4 U& z( b% ^: a& G功率電子行業(yè)正在經(jīng)歷氮化鎵（GaN）技術(shù)帶來的重大變革。本文討GaN功率器件的關(guān)鍵特性、與碳化硅（SiC）和傳統(tǒng)硅技術(shù)的競爭狀況，以及在現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用[1]。

器件技術(shù)與基本概念
' R: ]+ b0 U- M* J! J  F1 K& rGaN功率器件通過其橫向器件結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。該技術(shù)利用GaN和AlGaN層之間界面形成的二維電子氣（2DEG），形成了具有極高電子遷移率的天然溝道。這種特性使GaN器件在性能指標(biāo)上優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件。

/ @% I, E+ F* z圖1展示了兩種主要的GaN HEMT結(jié)構(gòu)：肖特基柵（左）和柵注入晶體管混合漏極結(jié)構(gòu)（右），顯示了兩種架構(gòu)的根本區(qū)別。

與競爭技術(shù)的性能對比
在600V/650V等級中，硅超結(jié)、碳化硅（SiC）和GaN三種主要技術(shù)相互競爭。每種技術(shù)在特定應(yīng)用場景中都具有獨(dú)特優(yōu)勢。
8 B9 [9 Z/ v" n. {+ ]
圖2展示了SiC MOSFET和GaN HEMT相對于硅超結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)對比，突出顯示了各自在基本開關(guān)線路中的優(yōu)勢。
8 d; U5 H/ {) P; L
高級應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)
功率因數(shù)校正（PFC）是GaN技術(shù)最重要的應(yīng)用之一�，F(xiàn)代PFC線路已從傳統(tǒng)的升壓拓?fù)浒l(fā)展到更高效的推挽配置。

( L$ S. T  ]' H. v圖3展示了工作在1.8至2.4 MHz三角波電流模式的220W PFC級，展現(xiàn)了GaN技術(shù)的高頻能力。
- Z" n3 o  x& b1 T" g. b
DC/DC轉(zhuǎn)換是GaN技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高頻操作方面。先進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方案采用復(fù)雜的變壓器配置和調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)了極高的功率密度。
+ }- Y2 J6 H* Q' E1 P  A7 _
圖4展示了可工作在700 kHz的LLC演示系統(tǒng)，采用堆疊式矩陣變壓器結(jié)構(gòu)（左）和三電平調(diào)制（右）。

技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新
" f# E7 K, _+ S* _& X- vGaN技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是單片雙向開關(guān)。這種創(chuàng)新器件可以在兩個(gè)極性下阻擋電壓，并在第一和第三象限主動控制電流，為功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)提供新的解決方案。

. N& x. [# J( m: h! ~- C' ~- [0 L% P圖5展示了單片雙向GaN HEMT結(jié)構(gòu)（左）及其在單級功率轉(zhuǎn)換中的潛在應(yīng)用（右），展現(xiàn)了該技術(shù)的發(fā)展方向。

技術(shù)選擇指南
/ J) J6 B8 t' ~  Y5 |4 R9 C1 Q選擇合適的技術(shù)需要根據(jù)具體應(yīng)用要求：
1. 硅超結(jié)器件：

適用于單端硬開關(guān)應(yīng)用

適合低至中等開關(guān)頻率的諧振變換器

隨著技術(shù)進(jìn)步持續(xù)改進(jìn)

: [5 C% I; L! ~4 B+ C2 s% z
2. SiC MOSFET：

在硬開關(guān)半橋和全橋線路中表現(xiàn)優(yōu)異

具有優(yōu)良的溫度系數(shù)特性

在連續(xù)電流模式應(yīng)用中性能出色

3. GaN HEMT：

在高頻應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢

適合諧振變換器

在三角波電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)中表現(xiàn)優(yōu)異

可實(shí)現(xiàn)極高的功率密度
, V* g: f3 v0 g3 @5 Y7 Q8 k5 J
功率電子技術(shù)領(lǐng)域不斷發(fā)展，每種技術(shù)都找到了最適合的應(yīng)用空間。特別是GaN技術(shù)在高頻率和高效率應(yīng)用方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。單片雙向開關(guān)的出現(xiàn)代表了重要進(jìn)步，可能對單級功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
" s* K. d5 L7 f: L) f) Y; C; }
參考文獻(xiàn)
[1] G. Deboy and M. Kasper, "Positioning and Perspectives of GaN-Based Power Devices," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion, M. Di Paolo Emilio, Ed. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 8, pp. 353-360.
END
& y1 D: J2 D& q9 t7 `
  m* U7 o& O% v- [, l/ B' J- \% h
1 }% h/ D$ n! `% s# [) f軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請
$ U: m9 C* S4 h  e( }% ^' G
  x) u# Q. c) p4 j歡迎轉(zhuǎn)載
* j7 E$ ?5 u9 o8 H  E' V% H/ r$ k
轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
0 r+ X$ Y8 Z, W1 Y




/ Z5 V) ]& I5 n( {1 Y6 o關(guān)注我們
3 D; I7 r0 f; e1 |2 B

0 k: B# T4 M* \+ u$ |4 o& v

' q2 |6 ?, }1 u

                     

( A0 o) p; K. v* c0 b
: ]. z3 i* w) }5 o
關(guān)于我們：
, @, F, Z3 r+ |! [% t深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

9 U  k3 M; ~! K8 M& Fhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）