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
2 [& x& w) `7 p! j( U% X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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% p: t8 c' R8 N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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3 `( K3 t5 d" q1 s/ [' t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。

  @' x* R( C" z0 [! e2 _; T- Z9 hGaN器件的横向构型具有以下优势：

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

7 l6 m% l. _+ ~' R2 w器件结构与运行原理

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9 s2 \  e, g% i: I  [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。

, j  A* ]$ j. ?% ?# l. ]0 [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。

1 s( }! k+ G! N( D驱动线路与功率集成

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# }6 Y, O) {1 r0 u. b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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% H' W3 n; r" W- ^8 a# \* @7 SGaN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
GaN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。

4 b7 }- a3 L+ z4 B0 \  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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3 e5 J; p# T/ j& Z5 i$ E- q& A) v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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3 `8 Q* p' X5 U% Z: q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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( i& L# v/ W4 W$ e' r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。

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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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。

结论
GaN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
[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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