氮化鎵技術(shù)在電力電子應(yīng)用中的理解

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

氮化鎵技術(shù)簡(jiǎn)介
氮化鎵(GaN)技術(shù)在電力電子領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)步，相比傳統(tǒng)硅基器件具有顯著優(yōu)勢(shì)。本文將探討GaN技術(shù)的基本特性、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及性能特點(diǎn)[1]。
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材料特性與構(gòu)型
GaN同時(shí)具有比硅和碳化硅(SiC)更高的載流子遷移率和臨界電場(chǎng)。采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的GaN-on-Si晶圓使GaN在中高端應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在成本敏感的場(chǎng)景下。

圖1展示了不同材料和技術(shù)的特定Ron與擊穿電壓限值的關(guān)系，顯示了GaN相比硅和SiC的卓越性能特征。

GaN器件的橫向構(gòu)型具有以下優(yōu)勢(shì)：
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可實(shí)現(xiàn)傳感、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)線路的單片集成

所有端子易于訪問

支持半橋器件集成

可與硅器件簡(jiǎn)單混合集成

封裝更簡(jiǎn)單且成本更低
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  b7 o4 O3 x5 ~$ G  h7 _器件結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

2 @& [  N  j% J$ o圖2對(duì)比展示了摻雜硅晶體管與GaN HEMT的截面結(jié)構(gòu)，顯示了兩種技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)差異。
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對(duì)于任何GaN HEMT應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)線路的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)構(gòu)建高效可靠的系統(tǒng)具有根本作用。驅(qū)動(dòng)線路需要為開關(guān)柵極提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鱽砜刂崎_關(guān)過程。

驅(qū)動(dòng)線路與功率集成

圖3展示了肖特基柵GaN HEMT(上)和GIT GaN HEMT(下)的驅(qū)動(dòng)線路，顯示了不同類型所需的配置。

) R3 t" ]6 R: OGaN功率集成電路的出現(xiàn)代表技術(shù)的重大進(jìn)步。集成實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)幾乎零損耗，因?yàn)殛P(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)回路基本沒有阻抗。

9 b* v$ u0 @3 }" V# f1 }圖4顯示了新型高頻有源鉗位拓?fù)浜虶aN功率集成電路如何實(shí)現(xiàn)無源元件縮小和整體功率密度提高3倍。

1 e; P! Q9 ~+ X$ D/ G" P8 g動(dòng)態(tài)特性表征的挑戰(zhàn)
GaN功率器件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)，因?yàn)殡妷恨D(zhuǎn)換(dv/dt)和電流轉(zhuǎn)換(di/dt)極快。這些快速轉(zhuǎn)換與測(cè)試線路中的寄生元件相互作用，可能產(chǎn)生過高的電壓或電流。

圖5展示了GaN FET開關(guān)測(cè)試中的振蕩和振鈴結(jié)果，說明了動(dòng)態(tài)表征中的挑戰(zhàn)。
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! e' s" u5 q9 H7 X9 X9 ]垂直GaN技術(shù)
! o" |0 D( y3 G( R5 q" s" F垂直GaN技術(shù)的發(fā)展代表另一個(gè)重要方向。垂直GaN能夠?qū)崿F(xiàn)700-900V以上阻斷電壓的實(shí)用擴(kuò)展，因?yàn)樽钄嚯妷弘S外延特性而不是芯片面積變化。
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7 \- L' w2 z9 c( n7 L圖6展示了基于GaN-on-GaN低缺陷密度的垂直導(dǎo)電GaN晶體管，顯示了垂直器件的基本結(jié)構(gòu)。

可靠性與測(cè)試
可靠性是GaN技術(shù)最關(guān)鍵的方面之一。制造商采用全面的測(cè)試程序來確保器件在各種工作條件下的可靠性。
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圖7展示了英飛凌的四支柱GaN器件認(rèn)證方法，顯示了確保器件可靠性的綜合方法。

+ {  b2 q- b; q3 c& h( ~( o0 h應(yīng)用與發(fā)展方向
9 u, p! C0 @" i% T7 r隨著GaN技術(shù)的不斷成熟，已在數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。這種技術(shù)在保持高效率的同時(shí)能夠在更高頻率下工作，使其在新一代電力電子應(yīng)用中具有特殊價(jià)值。

圖8展示了GaN半橋功率集成電路示意圖和電機(jī)逆變器實(shí)例及其良好的散熱性能，展示了在電機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

" h3 F# z! H/ H9 g: h( w結(jié)論
GaN技術(shù)在電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能特征，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基器件。盡管在動(dòng)態(tài)表征和可靠性測(cè)試等方面仍存在挑戰(zhàn)，但橫向和垂直GaN技術(shù)的持續(xù)發(fā)展正在推動(dòng)高性能電力電子應(yīng)用的進(jìn)步。
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7 m  B1 ]4 R+ w# [6 ?: K參考文獻(xiàn)
[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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