氮化镓功率器件技术的现状与展望

逍遥设计自动化

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]。
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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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8 \5 U) J* w- v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。

- F7 O% ~4 N' J- W0 C( _% l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。

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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
2 q+ N" r2 y2 `- r: `4 m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。

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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。

8 _0 Y$ }+ {: u, yDC/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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. m0 i$ O/ K- V$ \) P; ~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）。
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  o+ s' I9 y! z$ ^8 W0 G" t技术发展与创新
9 G* i* O4 ^  {! ^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
5 a  p* H8 O& D" m8 i7 A. N选择合适的技术需要根据具体应用要求：
9 K# P* X* ^( H8 p  X) V% ~& }, x1. 硅超结器件：
" z- x! e7 [2 H4 x

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

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6 A: m8 F- P# X( p5 ~' q) N9 t2. 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
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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
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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。
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. \( H" o1 q; _. }/ e3 N9 u" M. S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.
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