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(dòng)化

引言
功率電子行業(yè)正在經(jīng)歷氮化鎵（GaN）技術(shù)帶來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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
GaN功率器件通過(guò)其橫向器件結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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。
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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。

$ }2 O! [. r/ h: ^8 u+ a- l5 d% y6 ?與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的性能對(duì)比
在600V/650V等級(jí)中，硅超結(jié)、碳化硅（SiC）和GaN三種主要技術(shù)相互競(jìng)爭(zhēng)。每種技術(shù)在特定應(yīng)用場(chǎng)景中都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
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圖2展示了SiC MOSFET和GaN HEMT相對(duì)于硅超結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比，突出顯示了各自在基本開(kāi)關(guān)線路中的優(yōu)勢(shì)。
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高級(jí)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。
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8 @7 a; R6 b9 [% [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(jí)，展現(xiàn)了GaN技術(shù)的高頻能力。

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。
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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）。
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% x2 Y/ {& y7 O) v2 r技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新
GaN技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是單片雙向開(kāi)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(dòng)控制電流，為功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)提供新的解決方案。
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3 \' e3 l8 E) U$ ]6 x1 n8 j5 \圖5展示了單片雙向GaN HEMT結(jié)構(gòu)（左）及其在單級(jí)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：
) Z5 a" n1 {/ m3 D9 B1. 硅超結(jié)器件：
" S* l& B/ z6 D! W# G

適用于單端硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用

適合低至中等開(kāi)關(guān)頻率的諧振變換器

隨著技術(shù)進(jìn)步持續(xù)改進(jìn)

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8 `, i: e4 m, G! f2. SiC MOSFET：

在硬開(kāi)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：
! p+ [. Q* S! z7 |$ k2 C) j

在高頻應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢(shì)

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

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(shì)。單片雙向開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)代表了重要進(jìn)步，可能對(duì)單級(jí)功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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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