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引言
* s# N# E M' p% n7 x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]。
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器件技术与基本概念
& o* [# G. ]( S6 o+ ^: hGaN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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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。# O! K8 a! \: g0 v. h
f$ k. I! H- T* r& O与竞争技术的性能对比8 g# u! _& G& d2 H; }! Y/ X2 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。* | Z$ o! [8 A
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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。
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高级应用与实现' a! ~: s& t, }
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。; q" r u& J( O7 P
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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。* s: e: ]8 M G( u" Z! q
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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。0 E* ~/ `% X1 l. f! \
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* O0 g! f( J! B& e; ?7 C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）。. d, J7 ~" J4 P/ W) j+ z; T/ c
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技术发展与创新3 C. l1 V* _3 \* n( ?# D
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。! m* p. N2 W6 u' w& A8 d
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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。( _, [# n4 |; ~# j" L- g1 V9 x6 T
9 M2 A! G3 l: n. r+ K技术选择指南. V% G* c: k2 n1 l: J u: w. i; U9 i
选择合适的技术需要根据具体应用要求：
9 C9 L! |, X3 B# b% T1. 硅超结器件： s3 J2 A' q0 q
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0 L4 \. I7 g4 n
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2. SiC MOSFET：: k. u0 ]/ ^1 R8 W! M u
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8 q5 a7 }+ v6 A8 m) G
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3. GaN HEMT：: V6 D9 N5 L/ j- `+ b4 ]
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
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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。$ _ e1 g* w5 Y, h* e: K3 K n
- L, J Q2 U6 |参考文献: w; Q8 Q$ n6 n0 b
[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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