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增强型氮化镓单片双向开关,击穿电压超过3.3 kV
Enhancement-Mode GaN Monolithic Bidirectional Switch With Breakdown Voltage Over 3.3 kV
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓 双向开关 击穿电压 导通电阻 功率电子 |
语言:
中文摘要
本研究展示了一种氮化镓(GaN)增强型单片双向开关(MBDS),其在两种极性下的击穿电压(BV)均高于3.3 kV。该MBDS是在蓝宝石衬底上的双p - GaN栅高电子迁移率晶体管(HEMT)平台上实现的。它采用了一种新颖的双结终端扩展设计来进行电场管理,该设计基于栅极堆叠中的p - GaN层构建,无需外延再生长。这款GaN MBDS在两个方向上均呈现出对称的导通状态特性,阈值电压($V_{\text {th}}$)为0.6 V,比导通电阻($R_{\text {on,sp}}$)低至5.6 m$\Omega \cdot$cm²。在所有已报道的MBDS器件中,该器件具有最高的击穿电压,并且在击穿电压和比导通电阻的权衡方面表现优异。其比导通电阻低于由两个分立器件实现的传统双向开关(BDS)的性能极限。这款3.3 kV的GaN MBDS为开发新型电路拓扑和提升中压电力电子系统性能开辟了道路。
English Abstract
This work demonstrates a GaN enhancement-mode monolithic bidirectional switch (MBDS) with breakdown voltage (BV) higher than 3.3 kV in both polarities. This MBDS is realized on a dual p-GaN gate high electron mobility transistor (HEMT) platform on sapphire substrate. It features a novel dual junction termination extension design for electric field management, which is built on the p-GaN layer in the gate stack and does not require epitaxial regrowth. The GaN MBDS exhibits symmetric on-state characteristics in both directions with a threshold voltage (V_ th) of 0.6 V and a low specific on-resistance (R_ on,sp) of 5.6 m cm2. This device presents the highest BV, as well as one of the best BV and R_ on,sp trade-offs, in all the reported MBDS devices. The R_ on,sp is lower than the performance limit of conventional BDS realized by two discrete devices. This 3.3 kV GaN MBDS opens the door for developing new circuit topologies and advancing system performance in medium-voltage power electronics.
S
SunView 深度解读
从阳光电源中压电力电子产品线的战略角度看,这项3.3kV氮化镓单片双向开关技术具有显著的应用价值。该器件突破了传统双向开关由两个分立器件背靠背组成的架构限制,在双向导通时实现了5.6 mΩ·cm²的超低导通电阻,这一指标已优于分立方案的理论极限,对提升系统效率和功率密度具有实质意义。
在光伏逆变器和储能变流器领域,该技术可直接应用于1500V甚至更高电压等级的直流母线拓扑。单片集成的双向开关能够简化固态断路器、双向DC-DC变换器等关键电路的设计,减少器件数量和寄生参数,这对我们正在推进的大功率组串式逆变器和模块化储能系统尤为关键。其0.6V的增强型阈值电压特性也符合安全性和可靠性要求,避免了常关型器件的驱动复杂性。
技术成熟度方面需要审慎评估。该器件基于蓝宝石基底的双p-GaN栅极平台,虽然创新性的双结终端延伸设计避免了外延再生长,但3.3kV耐压等级的GaN器件在成本控制、良率提升和长期可靠性验证方面仍面临挑战。特别是在高温、高湿等实际工况下的性能稳定性,以及与现有SiC方案的成本竞争力,都需要深入评估。
建议将此技术纳入中长期技术路线图,重点关注其在中压固态开关、矩阵式变换器等新型拓扑中的应用潜力。同时,可考虑与该技术团队建立合作关系,推动GaN双向开关在新能源装备中的工程化验证,为下一代高效率、高功率密度产品储备核心技术。