GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换(续)

2．3大栅宽器件 大栅宽常关GaN功率开关器件的发展是走向工程应用，2009年报道了栅宽为20mm的5A／1100V常关GaN功率开关器件在升压变换器中的应用旧引，器件特点是，栅下F等离子处理工艺和栅极与源极的双场板结构。

半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术

测试半导体GaN功率开关器件灵敏度对掌握器件性能具有重要意义,提出一种新型半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。通过分析半导体GaN功率开关器件的导通电阻与击穿电压关系、空穴电流与栅极电流关系,掌握功率开关器件击穿机理,在此基础上,测试其灵敏度;根据灵敏度测试原理与微频通道衰减值周期检查原理,测量功率开关器件微频信号功率和微频通道衰减值,汇总微频通道衰减值和最后1次开关灵敏时的衰减值,得到其灵敏度。实验结果表明:所提测试技术在测量灵敏度过程中,平均测试误差为0.044 dB,仅平均花费9.61 ms,是一种高效、可靠的半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。

应用于高频开关电源GaN功率器件动态特性表征技术研究

电源在所有电子电气设备中起着非常重要的作用,随着科技的不断进步,人们对于电源的相关需求越来越高,并逐渐向着高频化、高功率密度、小型化和节能的方向发展。功率半导体器件是开关电源技术的核心器件,对实现开关电源高频化、小型化发展趋势尤为重要,其中第三代半导体GaN功率器件的出现,将进一步助力这一趋势的发展,符合当下人们的消费需求。本文主要研究应用于高频开关电源中的GaN器件动态特性表征技术,希望对以后从事开关电源设计方面工作的工程师给予较好的借鉴。

基于GaN器件的磁集成LLC谐振变换器的优化设计

为解决电动汽车辅助电源变换效率和功率密度相对较低的问题,提出一种基于改进磁集成变压器的LLC谐振变换器设计方案,修改了磁芯结构,在一个EEE磁芯上同时集成了谐振电感及变压器,减少了磁元件的重量和体积,优化了绕组排布及气隙结构,降低了磁芯饱和度和损耗,并结合GaN功率器件,最终搭建了一台150W的实验样机.实验结果表明,引入GaN器件及磁集成技术,可大幅提高变换器的功率密度和效率,从而验证了所提出设计方案的可行性.

Ku波段GaN大功率单刀双掷开关设计

基于开关器件的基本工作原理和设计方法,设计了一款Ga N大功率Ku波段单刀双掷(SPDT)开关,并着重讨论了Ga N大功率开关的耐功率能力。经制作得到不同栅指数、不同单指栅宽的Ga N开关器件,测试了其基本性能,并比较了开关器件在Ga N工艺与Ga As工艺下的性能差别。Ku波段SPDT开关实测S参数表明,插入损耗小于0.9 d B,隔离度大于27 d B,同时能够承受10 W的连续波输入功率;适当牺牲耐功率能力可提升小信号的性能。这款开关可搭配Ga N功率放大器与低噪声放大器用于收发组件前端。其尺寸仅有2.0 mm×1.4 mm,满足系统小型化的需求。

基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器的设计与仿真

介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC变换器作为高功率转换系统的主要电路。DC/DC变换器使用基于氮化镓(GaN)的功率开关器件。对10 kWGaN大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行了优化、参数化和分析,并通过仿真和实验验证了其有效性。它由使用新型的GaN晶体管组成的两个单相全桥电路、两个输入/输出电感和一个高频变压器组成。变压器在实现两个全桥变换器之间的电气隔离方面起着至关重要的作用。使用MATLAB仿真软件对10 kW的变换器进行了建模。MATLAB仿真结果验证了变换器的性能适合于高功率应用并能实现轻负载条件下的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。然后,设计了一个10 kW的实验原型,以验证所设计拓扑的有效性。

一种基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器

本文介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC变换器。DC/DC转换器使用基于氮化镓(GaN)的功率开关器件。本文对10 kW GaN大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行了优化,参数化和分析,并通过仿真和验证了其有效性。它由两个单相全桥电路、两个输入输出电感和一个高频变压器组成。高频变压器在实现两个全桥变换器之间的电流隔离方面起着至关重要的作用。使用MATLAB仿真软件对10 kW的变换器进行了建模。MATLAB仿真结果验证了变换器的性能适合于高功率应用并能实现轻负载条件下的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。然后,设计了一个7 kW的实验原型,以验证所设计拓扑的有效性。

GaN宽带大功率MMIC开关

GaNHEMT作为第三代宽禁带化合物半导体器件，其高的击穿电压、大的电流密度等特点，使其非常适合十微波大功率开关的研制。南京电子器件研究所利用76．2mm（3英寸）SiC衬底GaNHEMT材料实现了C～6GHz20W、DC～12GHz15W和DC～20GHz8w宽带大功率系列开关的研制。

GaN功率器件的驱动及控制策略研究

氮化镓(GaN)功率器件作为典型的第三代半导体器件,相比于传统的硅(Si)器件,在导通电阻和栅极电荷上更具优势,可使功率转换器体积更小、频率及效率更高,因而被广泛应用在高频开关电源,以及民用、工业、通信等领域,具有广阔的应用前景。然而,Ga N功率器件在实际应用中,存在驱动电压范围窄、阈值低的不足,易导致驱动误通、栅极击穿等问题。基于此,文章研究了Ga N功率器件变换器拓扑结构的选择,以及适用于Ga N功率器件的驱动及控制策略,可为Ga N功率器件在高频开关电源中的应用设计合适的驱动电路,以确保其在实际应用中的可靠性和稳定性。

英飞凌将与松下电器联袂推出常闭型600VGaN功率器件

近日，英飞凌和松下电器宣布，两家公司已达成协议，将联合开发采用松下电器的常闭式（增强型）硅基板氮化镓（GaN）晶体管结构，与英飞凌的表贴（SMD）封装的GaN器件。在此背景下，松下电器向英飞凌授予了使用其常闭型GaN晶体管结构的许可。按照这份协议的规定，两家公司均可生产高性能GaN器件。由此带来的益处是客户可以从两条渠道获得采用可兼容封装的GaN功率开关。迄今为止，没有任何其他硅基板GaN器件提供了这样的供货组合。

基于GaN器件的半桥式固态射频电源应用研究

随着电力电子行业的发展,射频电源对高效率、轻量化的要求逐渐提高。硅(Si)材料的理论极限,约束了Si功率器件在高频、高压及大功率等场所的应用。基于氮化镓(GaN)半导体材料制备的功率器件与Si器件相比,具有导通阻抗低、输入输出电容小等特性。基于这些特性,采用GaN管设计制作了一款开关频率为2 MHz的半桥式固态射频电源样机。通过电路的设计和优化,样机输出2 MHz的标准正弦波。样机的输出功率为14.9 W时,效率可达到95.5%,功率密度可达到78.9×10-3W/cm3。同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,验证了GaN器件与Si器件相比,可大幅度提高半桥式固态射频电源的整机效率和功率密度。

基于GaN的高功率密度快充正快速成长

1看好哪类GaN功率器件的市场?2020—2021年硅基氮化镓(GaN)开关器件的商用化进程和5年前(编者注:指2016年)市场的普遍看法已经发生了很大的变化,其中有目共睹的是基于氮化镓件的高功率密度快充的快速成长。这说明影响新材料市场发展的,技术只是众多因素当中的1个。

芯冠科技推出两款新一代氮化掾功率器件

近日,芯冠科技推出了两款新的CASCODE结构氮化铢开关管,GaN均为D-MODE耗尽型,其中XG65T300HS2A为DFN8*8贴片封裝,耐压650V,导阻240mQ。XG90T150PS2A为T0220封装,耐压900V,导阻150mQ。两款氮化掾开关管均支持20V栅极电压,保证了功率开关管在导通状态下电阻最小,且器件栅压有足够的裕量来应对开关过程中的电压过冲等不利因素,避免造成器件的潜在损伤和矣荻。

GaN器件有望在中等耐压范围内实现出色的高频工作性能

1罗姆看好哪类GaN功率器件的市场机会?GaN(氮化镓)和SiC(碳化硅)一样,是一种在功率器件中存在巨大潜力的材料。GaN器件作为高频工作出色的器件,在中等耐压范围的应用中备受期待。特别是与SiC相比,高速开关特性出色,因而在基站和数据中心等领域中,作为有助于降低各种开关电源的功耗并实现小型化的器件被寄予厚望(如图1、图2)。

X波段GaN基小相位移相器设计

基于0.25μm GaN HEMT工艺,设计并制作了X波段11.25°和22.5°的小相位移相器单片微波集成电路（MMIC）,两个移相器单元均采用低通开关滤波型拓扑结构。最终芯片面积分别为0.9 mm×1.05 mm和0.95 mm×1.05 mm。芯片测试结果表明,两个小相位移相器性能良好,且测试结果与仿真结果吻合。在8~12 GHz频带内,11.25°和22.5°移相器电路的相移精度小于2.8°,输入回波损耗分别优于-15和-12 dB,插入损耗值分别小于1和1.5 dB,幅度波动分别小于0.8和1.3 dB。两个移相器电路的1 dB压缩点输入功率均大于36 dBm,其功率容限优于GaAs HEMT设计的移相器。结果表明,所设计的移相器具有优异的相移精度以及良好的功率性能,可广泛应用于高精度和大功率的雷达系统中。

氮化镓(GaN)接替硅,支持高能效、高频电源设计

在所有电力电子应用中,功率密度是关键指标之一,这主要由更高能效和更高开关频率驱动。随着基于硅的技术接近其发展极限,设计工程师现在正寻求宽禁带技术如氮化镓(GaN)来提供方案。对于新技术而言,GaN本质上比其将取代的技术(硅)成本低。GaN器件与硅器件是在同一工厂用相同的制造程序生产出。因此,由于GaN器件小于等效硅器件,因此每个晶片可以生产更多的器件,从而降低了每个晶片的成本。