氮化镓功率器件技术的现状与展望

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引言
& f1 u/ L6 b& @+ p0 i* p8 |. L! _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。

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0 X  ?! W$ E( n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。
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与竞争技术的性能对比
; F) K( ^, _  j( {& J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。
  b, a# B+ G4 c4 w6 C

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5 K8 ^! h3 X# w! M  M  c! M5 n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
: d+ K& R+ v6 q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。
; T% S+ F+ O' \3 h% \, s/ D( R

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; p+ R1 l7 O0 R3 D( f2 s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。

: V$ e* u( k, e6 f8 X( x6 i: IDC/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。

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# |7 }( R# l) h) \) X1 E2 E" X8 t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。
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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
# t2 X1 M$ a: {' p" K: m+ z5 A选择合适的技术需要根据具体应用要求：
1. 硅超结器件：
$ E, h0 e' q7 h! I7 A7 l

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
! E' \) X2 p# f+ h) m/ @6 e" K
/ S* r1 b' Y+ n; W. i& o
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
6 ?: X8 D# Z' n7 U. P2 W) }
" s' z! N& {" T' d3. 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

) G* A6 F, m7 r/ N1 R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


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