氮化鎵技術在電力電子應用中的理解

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氮化鎵技術簡介
* n# d! L, B* [, N氮化鎵(GaN)技術在電力電子領域帶來革命性進步，相比傳統(tǒng)硅基器件具有顯著優(yōu)勢。本文將探討GaN技術的基本特性、結(jié)構(gòu)、應用及性能特點[1]。
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% K+ L( i# j+ Q, S  T  h材料特性與構(gòu)型
GaN同時具有比硅和碳化硅(SiC)更高的載流子遷移率和臨界電場。采用相對經(jīng)濟的GaN-on-Si晶圓使GaN在中高端應用中更具競爭力，特別是在成本敏感的場景下。

圖1展示了不同材料和技術的特定Ron與擊穿電壓限值的關系，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：
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可實現(xiàn)傳感、保護和驅(qū)動線路的單片集成

所有端子易于訪問

支持半橋器件集成

可與硅器件簡單混合集成

封裝更簡單且成本更低

器件結(jié)構(gòu)與運行原理

' Z8 Q' X2 R$ ?' C3 b& V圖2對比展示了摻雜硅晶體管與GaN HEMT的截面結(jié)構(gòu)，顯示了兩種技術的基本結(jié)構(gòu)差異。

' w- j: ~6 H  @0 Z7 V- ^9 l2 L# w對于任何GaN HEMT應用，驅(qū)動線路的合理設計和優(yōu)化對構(gòu)建高效可靠的系統(tǒng)具有根本作用。驅(qū)動線路需要為開關柵極提供適當?shù)碾妷汉碗娏鱽砜刂崎_關過程。

) x9 k7 K1 `" ]  i/ f0 p( Y9 m) U6 S驅(qū)動線路與功率集成
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圖3展示了肖特基柵GaN HEMT(上)和GIT GaN HEMT(下)的驅(qū)動線路，顯示了不同類型所需的配置。

8 @/ r  u+ }. r8 V+ e2 ~2 P8 GGaN功率集成電路的出現(xiàn)代表技術的重大進步。集成實現(xiàn)了關斷時幾乎零損耗，因為關斷柵極驅(qū)動回路基本沒有阻抗。

圖4顯示了新型高頻有源鉗位拓撲和GaN功率集成電路如何實現(xiàn)無源元件縮小和整體功率密度提高3倍。
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0 g0 C1 F4 S: q動態(tài)特性表征的挑戰(zhàn)
GaN功率器件的動態(tài)特性測量面臨獨特挑戰(zhàn)，因為電壓轉(zhuǎn)換(dv/dt)和電流轉(zhuǎn)換(di/dt)極快。這些快速轉(zhuǎn)換與測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開關測試中的振蕩和振鈴結(jié)果，說明了動態(tài)表征中的挑戰(zhàn)。

8 f9 O( y. V) @+ @  q# H* N垂直GaN技術
$ t: N  n7 ~; x  W* C垂直GaN技術的發(fā)展代表另一個重要方向。垂直GaN能夠?qū)崿F(xiàn)700-900V以上阻斷電壓的實用擴展，因為阻斷電壓隨外延特性而不是芯片面積變化。
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圖6展示了基于GaN-on-GaN低缺陷密度的垂直導電GaN晶體管，顯示了垂直器件的基本結(jié)構(gòu)。

可靠性與測試
/ m& N$ F# b; z3 s+ f6 c5 J4 [4 `可靠性是GaN技術最關鍵的方面之一。制造商采用全面的測試程序來確保器件在各種工作條件下的可靠性。
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, r$ E4 B& D9 x0 B( \- X( i圖7展示了英飛凌的四支柱GaN器件認證方法，顯示了確保器件可靠性的綜合方法。
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& z  z! b* Z6 {* E+ C/ k應用與發(fā)展方向
隨著GaN技術的不斷成熟，已在數(shù)據(jù)中心、電動汽車和工業(yè)電機驅(qū)動等領域獲得應用。這種技術在保持高效率的同時能夠在更高頻率下工作，使其在新一代電力電子應用中具有特殊價值。

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

結(jié)論
) Y8 L3 a/ {$ GGaN技術在電力電子領域展現(xiàn)出卓越的性能特征，遠超傳統(tǒng)硅基器件。盡管在動態(tài)表征和可靠性測試等方面仍存在挑戰(zhàn)，但橫向和垂直GaN技術的持續(xù)發(fā)展正在推動高性能電力電子應用的進步。
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參考文獻
[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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