氮化镓功率器件技术的现状与展望

文摘   科技   2024-11-08 08:00   四川  

引言

功率电子行业正在经历氮化镓(GaN)技术带来的重大变革。本文讨GaN功率器件的关键特性、与碳化硅(SiC)和传统硅技术的竞争状况,以及在现代功率转换系统中的应用[1]。


器件技术与基本概念

GaN功率器件通过其横向器件结构提供了独特的优势。该技术利用GaN和AlGaN层之间界面形成的二维电子气(2DEG),形成了具有极高电子迁移率的天然沟道。这种特性使GaN器件在性能指标上优于传统硅器件。

图1展示了两种主要的GaN HEMT结构:肖特基栅(左)和栅注入晶体管混合漏极结构(右),显示了两种架构的根本区别。


与竞争技术的性能对比

在600V/650V等级中,硅超结、碳化硅(SiC)和GaN三种主要技术相互竞争。每种技术在特定应用场景中都具有独特优势。

图2展示了SiC MOSFET和GaN HEMT相对于硅超结技术的关键参数对比,突出显示了各自在基本开关线路中的优势。


高级应用与实现

功率因数校正(PFC)是GaN技术最重要的应用之一。现代PFC线路已从传统的升压拓扑发展到更高效的推挽配置。

图3展示了工作在1.8至2.4 MHz三角波电流模式的220W PFC级,展现了GaN技术的高频能力。


DC/DC转换是GaN技术的另一个重要应用领域,特别是在高频操作方面。先进的实现方案采用复杂的变压器配置和调制方案,实现了极高的功率密度。

图4展示了可工作在700 kHz的LLC演示系统,采用堆叠式矩阵变压器结构(左)和三电平调制(右)。


技术发展与创新

GaN技术的一个重要发展方向是单片双向开关。这种创新器件可以在两个极性下阻挡电压,并在第一和第三象限主动控制电流,为功率转换架构提供新的解决方案。

图5展示了单片双向GaN HEMT结构(左)及其在单级功率转换中的潜在应用(右),展现了该技术的发展方向。


技术选择指南

选择合适的技术需要根据具体应用要求:

1. 硅超结器件:

  • 适用于单端硬开关应用

  • 适合低至中等开关频率的谐振变换器

  • 随着技术进步持续改进


2. SiC MOSFET:

  • 在硬开关半桥和全桥线路中表现优异

  • 具有优良的温度系数特性

  • 在连续电流模式应用中性能出色


3. GaN HEMT:

  • 在高频应用中占据优势

  • 适合谐振变换器

  • 在三角波电流调制实现中表现优异

  • 可实现极高的功率密度


功率电子技术领域不断发展,每种技术都找到了最适合的应用空间。特别是GaN技术在高频率和高效率应用方面表现出显著优势。单片双向开关的出现代表了重要进步,可能对单级功率转换架构产生深远影响。


参考文献

[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


软件申请
我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用,PIC Studio都可提升您的工作效能。

点击左下角"阅读原文"马上申请


欢迎转载


转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!




关注我们



                      




关于我们:

深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。


http://www.latitudeda.com/

(点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容)


逍遥设计自动化
分享特色工艺半导体(PIC/Power/MEMS)设计自动化解决方案及行业技术资讯,与广大业界朋友、专家共同交流!
 最新文章