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GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件作为典型的宽带隙半导体，与传统的硅基器件相比具有诸多优势。 本文全面回顾和讨论了用于电力电子应用的 GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件，包括电动汽车 (EV)、光伏发电系统和微电网，以及该器件的主要设计挑战论文都对解决方案进行了讨论。 对于这些应用，主要实验结果表明GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件具有不同的优势。

一、简介

随着可再生能源和智能电网的快速发展，电力电子被广泛认为是处理能量转换和控制的核心技术。 传统的硅基器件由于其低成本和易于实施而一直主导着电源系统领域。 然而，高效率、高功率密度、长寿命以及无需散热器即可在极端高温下运行的能力对于下一代电源转换器变得越来越重要。 因此，业界提出了宽带隙功率器件，尤其是GaN器件，因为其具有高饱和速度、强临界场等优异的材料特性

场）和大带宽（large bandwidth），这将带来更低的导通电阻、更小的寄生电容、更快的开关速度等器件级特性。

由于成本效益，在硅衬底上生长的 GaN 横向异质结器件（横向异质结

设备 ) 正在成为主导并正在商业化。 在电力电子应用中，考虑到与现有栅极驱动电路的兼容性和系统的安全运行，通常需要具有关断特性。 虽然级联配置似乎对“常关”有效，但导通电阻似乎很高，直接栅极控制变得不切实际。 因此，通常采用采用p-GaN栅极技术或金属-绝缘体-半导体（MIS，metal-insulator-semiconductor）栅极技术的E-mode（均为增强型）GaN晶体管技术来实现真正的常关（normally off）操作. 特别是后一种技术，即MIS栅极技术，如图1所示，通过蚀刻掉AlGaN势垒层并去除正极化电荷，在稳定性和可制造性方面显示出明显的优势。

图1

图 1 MIS-FET 截面示意图

关于GaN-on-Si（硅基氮化镓）功率器件在电力电子领域的应用，主要存在三大设计挑战，可归纳如下：高di/dt和dv/dt引起的寄生电感和电容，造成栅极驱动电路和主电源电路过压； 以及高开关速度引起的电磁干扰（EMI）问题； 与相应的硅基器件相比，系统成本较高。 由于体积小得多且没有昂贵的 GaN 器件封装，成本问题最终将得到解决。 开发可在提高效率和功率密度方面充分利用 GaN 器件的应用对于未来市场至关重要。 因此，本文对用于各种电力电子和可再生能源应用的 GaN 器件进行了回顾和讨论。

二、GaN-on-Si功率器件的特点

典型的 AlGaN/GaN MIS-HEMT 结构如图 1 所示，它包括 2 μm 缓冲层、1 nm AlN 层、25 nm Al0.25Ga0.75N 和 Si 上的 2 nm GaN 盖层基质。 典型的制造工艺是先通过等离子体离子蚀刻形成台面隔离，然后在快速热退火后通过金属堆叠（Ti/Al/Ni/TiN）形成无金（金）的欧姆接触。 在钝化工艺之后，沉积栅极电介质并形成焊盘。 图 2 显示了实验室制造的设备的光学显微镜图像。

图 2

图 2：实验室制造的 AlGaN/GaN MIS-HEMT 器件的光学显微镜图像。

图 3(a) 显示了制造的 E 模式（增强模式）器件的测量传输特性。 D 模式（耗尽模式）和 E 模式（增强模式）器件的漏极泄漏电流分别为 10^-6 mA/mm 和 10^-8 mA/mm。 如图 3(a) 中的红色虚线所示，通过蚀刻掉 AlGaN 势垒层可以成功实现常关 E 模式操作。 图 3(b) 显示了典型的 Id-Vd 性能。 在 Vd = 10 V 和 Vg = 5 V 时，E 模式器件的最大电流密度接近 250 mA/mm。

图 3

图3 E型（增强型）GaN器件的典型特性曲线：（a）传输特性； (b) 输出特性。

GaN-on-Si（硅基氮化镓）功率器件的一个独特特性是零反向恢复电荷，这使得它们有望用于半桥或全桥转换器。 此外，如图 4 所示，输出电容是线性的，这导致电容器充电时间较快。

图 4

图4中电容器的典型特性曲线（Transphorm公司的TP65H035WS）。

3.主要电力电子应用

本文将介绍几个用于电力电子应用的 GaN-on-Si（硅基氮化镓）功率器件示例，以展示基于 GaN 的器件的优势。 同时，论文提供了主要要求、设计和实验结果。

3.1 电动汽车双有源桥式变流器

在电动汽车中，通常使用 400V 或 600V 直流母线。 因此，由于双向功率流和电流隔离，双向双有源桥（DAB，dual active bridge）转换器被广泛应用于直流母线和电池或超级电容器之间的电动汽车。 与传统的Si MOSFET相比，宽带隙GaN MOSFET具有优异的静态和动态性能，如低导通电阻、更高的工作频率、更小的输出电容、快速的上升/下降速度、无反向恢复以及更大的温度耐受性。 低导通电阻可显着降低功率器件的传导损耗，而快速上升/下降速度确保即使在硬开关条件下也能实现低开关损耗。 更高的工作频率可以大大减小电感或变压器等磁性元件的体积，从而保证更高的功率密度。 由于基于GaN元件的DAB转换器具有更低的能量损耗和更高的功率密度，它还可以作为风力或光伏发电系统中的固态变压器，可以减小整个系统的尺寸并提高其效率。 1kW DAB 转换器的原型是基于 GaN MOSFET 设计的，工作频率为 500 kHz电力测功器，输入/输出电压限制为 200 V。由于 DAB 转换器由两个对称的全桥组成，如图 5(a) 所示，PCB全桥电路板布局如图 5(b) 所示。 建议的 DAB 板尺寸约为 54mm x 62mm，仅为传统 1kW Si（硅）基 DAB 转换器的一半。 它表明基于 GaN 的 DAB 可以显着提高功率密度。 图 5（c）的实验结果表明，GaN 开关在 500 kHz 开关频率下的上升时间仅为 5 ns，远小于 Si MOSFET，可以显着降低开关损耗，即使在硬开关条件下。 图5（d）中DAB转换器的工作波形表明，基于GaN的DAB转换器可以正常工作。

图 5

图 5 (a) 双有源桥式变换器的拓扑结构； (b) 拟议的基于 GaN 的 DAB 原型的 PCB 布局； (c) 开关管S1在关断时刻的电压； (d)初级交流电压v1和次级交流电压v2和电感电流iL的波形。

在基于 GaN 的 DAB 转换器的设计过程中，为了实现更高的效率和功率密度，电感器和变压器被放置在单个 PCB 板上。 此外，驱动电路集成在电源开关中，可显着减小DAB转换器的体积。

3.2 用于光伏系统中直流功率优化器的子模块集成转换器

光伏 (PV) 面板通常串联连接以形成串以实现高堆叠直流电压，并且这些串并联连接以实现高堆叠直流电流。 最后，将这些字符串并行连接以创建数组。 这些系统通常表现出非常高的功率转换效率，但已证明在老化或其他非理想条件下无法有效收集太阳能。 不平衡的运行条件会导致光伏（PV，Photovoltaic）组件之间的损耗，这通常是由于局部遮光、制造公差或污染等原因造成的，从而导致光伏电池产生的功率存在差异。 DC/DC 电源优化器（DCPO，dc/dc 电源优化器）如图 6 所示，其中包含专用于每个面板的转换器，已被提议用于在失配条件下最小化能量损失。 每个DC/DC功率优化器（DCPO，dc/dc power optimizer）执行独立的最大功率点跟踪（MPPT，maximum power point tracking），以减轻串联太阳能电池板之间的失配效应。 由于 DCPO 需要处理每个 PV 模块的全部功率，因此效率变得至关重要。 这导致需要高效功率转换器。 与传统的MOSFET或IGBT功率开关相比，基于GaN的开关更适用于DCPO领域，具有以下优点：导通电阻低，降低应用条件下的损耗； 低寄生电容和快速开启和关闭时间确保高频工作下的系统稳定性； 高开关性能和可实现的高结温。

图 6

图 6. PV（光伏）电力系统的级联 DC-DC 架构。

在实验过程中，我们首先测试了降压（Buck）转换器。 我们构建了一个原型，PCB 布局如图 7(a) 所示。 与传统的基于硅的硬件原型相比，基于 GaN 的原型非常小 (44mm x 48mm)。 图 7(b) 显示了工作频率为 500KHz 的基于 GaN 的降压 (Buck) 转换器的工作状态。 所设计的基于 GaN 的降压转换器的实验效率曲线如图 7（c）所示。 该曲线说明了动力总成的转换效率，其中最大转换效率达到95%。

图 7

图 7(a) 显示了基于 GaN 的原型的 PCB 布局。 (c) 主波形，(d) 实测效率。

为了进一步提高功率密度，可以将驱动电路集成到功率开关中，从而显着减小降压 (Buck) 转换器的尺寸。 此外，DCPO 可设计为安装在接线盒内，并在子模块级别实现最大功率点跟踪 (MPPT)，以减轻失配带来的负面影响。

3.3 微电网高频功率变换器

目前，微电网被认为是集成光伏系统、储能系统等各种分布式能源的首选架构。 图 8 显示了直流微电网的示例。

图 8

图 8 (a) 直流微电网； (b) 同步降压 (Buck) 转换器。

作为直流总线与能源（电源输入）或负载（电源输出）之间的接口，DC-DC 或 AC-DC 转换器起着重要作用，因为它们决定了整体能量转换效率。 与传统的 MOSFET 功率开关相比，基于 GaN 的器件具有如前所述的巨大优势，因此它们可以减小磁性元件的尺寸并提高功率密度。

在不同的DC-DC转换器拓扑结构中，半桥或全桥结构已被广泛使用。 图 8(b) 显示了采用同步降压 (Buck) 拓扑的示例，它可以直接用作从 PV 到 DC 总线的转换器。 图 9(a) 显示了构建的原型和 PCB 布局，整体尺寸仅为“44mm x 48mm”，与传统的基于 Si MOSFET 的降压转换器相比非常小。 图 9(b) 显示了在 500 kHz 下工作的降压转换器的实验结果电力测功器，与传统的 Si MOSFET 相比有显着改进。 该转换器的效率如图9(c)所示，从轻载到重载的功率转换效率可达95%。

图 9

图 9 (a) PCB 布局图； (c) 主要波形； (d) 衡量效率。

4.总结

E-mode (Enhancement Mode) GaN-on-Si (Gallium Nitride-on-Silicon) 器件显示出许多独特的优势，特别是在电力电子应用方面，已被 PV（光伏）系统、电动汽车和微电网等所采用。不同的示例已得到广泛验证。 由于高频操作，电路中的寄生元件，如寄生电感，会产生严重的后果。 因此，应妥善设计栅极驱动和电源环路，以最大限度地减少换向环路电感。 电路布局优化或多层 PCB 技术等功率集成技术似乎对于基于 GaN 的功率转换器减少过冲、振铃和 EMI 问题很重要。

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