氮化镓技术在电力电子应用中的理解

逍遥设计自动化

氮化镓技术简介
氮化镓(GaN)技术在电力电子领域带来革命性进步，相比传统硅基器件具有显著优势。本文将探讨GaN技术的基本特性、结构、应用及性能特点[1]。
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材料特性与构型
GaN同时具有比硅和碳化硅(SiC)更高的载流子迁移率和临界电场。采用相对经济的GaN-on-Si晶圆使GaN在中高端应用中更具竞争力，特别是在成本敏感的场景下。
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$ L% n! B0 \+ n8 }图1展示了不同材料和技术的特定Ron与击穿电压限值的关系，显示了GaN相比硅和SiC的卓越性能特征。
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GaN器件的横向构型具有以下优势：
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可实现传感、保护和驱动线路的单片集成

所有端子易于访问

支持半桥器件集成

可与硅器件简单混合集成

封装更简单且成本更低

器件结构与运行原理

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3 q( H/ J) r  X1 q9 X  J图2对比展示了掺杂硅晶体管与GaN HEMT的截面结构，显示了两种技术的基本结构差异。

对于任何GaN HEMT应用，驱动线路的合理设计和优化对构建高效可靠的系统具有根本作用。驱动线路需要为开关栅极提供适当的电压和电流来控制开关过程。

! C  ~$ ]& ^6 E9 ?2 ^6 ]' T5 C% p6 S  D驱动线路与功率集成

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图3展示了肖特基栅GaN HEMT(上)和GIT GaN HEMT(下)的驱动线路，显示了不同类型所需的配置。
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- ]5 O- p/ ?3 q  ~3 }GaN功率集成电路的出现代表技术的重大进步。集成实现了关断时几乎零损耗，因为关断栅极驱动回路基本没有阻抗。
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图4显示了新型高频有源钳位拓扑和GaN功率集成电路如何实现无源元件缩小和整体功率密度提高3倍。

动态特性表征的挑战
* t  N# G' d9 A- C. V) ]5 NGaN功率器件的动态特性测量面临独特挑战，因为电压转换(dv/dt)和电流转换(di/dt)极快。这些快速转换与测试线路中的寄生元件相互作用，可能产生过高的电压或电流。

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图5展示了GaN FET开关测试中的振荡和振铃结果，说明了动态表征中的挑战。

3 p$ p6 f( b! Y2 d. O, l垂直GaN技术
垂直GaN技术的发展代表另一个重要方向。垂直GaN能够实现700-900V以上阻断电压的实用扩展，因为阻断电压随外延特性而不是芯片面积变化。
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图6展示了基于GaN-on-GaN低缺陷密度的垂直导电GaN晶体管，显示了垂直器件的基本结构。
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' h2 i; p. s: L0 K可靠性与测试
可靠性是GaN技术最关键的方面之一。制造商采用全面的测试程序来确保器件在各种工作条件下的可靠性。

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7 u+ r+ p) A# s1 s. D图7展示了英飞凌的四支柱GaN器件认证方法，显示了确保器件可靠性的综合方法。
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! q$ m% N1 f; f) d9 K1 ~' Z' _1 K应用与发展方向
随着GaN技术的不断成熟，已在数据中心、电动汽车和工业电机驱动等领域获得应用。这种技术在保持高效率的同时能够在更高频率下工作，使其在新一代电力电子应用中具有特殊价值。

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( w0 f9 R1 ~- C$ b& X图8展示了GaN半桥功率集成电路示意图和电机逆变器实例及其良好的散热性能，展示了在电机控制系统中的实际应用。
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结论
; |# I2 C- H. i9 BGaN技术在电力电子领域展现出卓越的性能特征，远超传统硅基器件。尽管在动态表征和可靠性测试等方面仍存在挑战，但横向和垂直GaN技术的持续发展正在推动高性能电力电子应用的进步。

参考文献
( b$ W* u1 q9 S5 l6 ^6 A[1] M. Di Paolo Emilio et al., "GaN Technology," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 4, pp. 49-106. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_4

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