氮化鎵功率器件技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

逍遙設(shè)計自動化

引言
+ j8 B2 P& K" O0 _# d* t$ B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]。
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器件技術(shù)與基本概念
6 n7 h5 p6 y! A' PGaN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。

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。
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, Q% _( j5 d3 T' W" n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。
1 a( f! O6 X( e9 p1 N$ Y) B
6 J: E: j5 J0 E) _4 R+ [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。

高級應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)
  J7 a  x. C8 U) e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。
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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。
9 c1 A0 G0 t1 O3 \' V4 e: R
+ Q6 t9 Z* V- G, r: T0 J: g# GDC/DC轉(zhuǎn)換是GaN技術(shù)的另一個重要應(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。
: g9 s# v) e$ V0 V
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）。
9 N6 E! q4 p9 F
4 t, a  v* k* F+ T技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新
7 d2 D/ c0 M4 {GaN技術(shù)的一個重要發(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。
" N4 F" p8 z& o1 O9 E3 _
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
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)
( ^; }' u/ \- l% l

$ @) X- X$ H' ?0 s  L- Q: M( u2. SiC MOSFET：
6 z/ \, {/ O8 ?' I

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
( J1 S* j3 i- Y8 t* H
# I* S) Y6 G' ?% p6 ]" c- I* H3. GaN HEMT：
, u2 S2 C6 z, }$ P! w; U

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

9 ?! [% ~+ `# r. Y3 d  \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。
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1 U* [3 _( A2 u$ k. w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.
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