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]。

器件技术与基本概念
( U! ~0 Y, L8 U" SGaN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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. U  d( [) A. K% Z: B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。
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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。

高级应用与实现
) ^! P4 g2 ~! q. o- e! `) U$ 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。

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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。
  E. ~- g. M* o) Y/ g3 S
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。

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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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- V# ]' J9 R4 i$ h& n0 ~' @, C) O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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3 K4 o; \6 X) C5 w5 ?0 z9 z) C( H& f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
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3 x7 k/ J) ?0 w2. 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：
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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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7 G* O4 [3 h( I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。

- ^9 h1 ?6 b" h# x, G% u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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