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用于高温应用的增强型GaN单片双向开关及其集成栅极驱动器
Enhancement-Mode GaN Monolithic Bidirectional Switch with Integrated Gate Driver for High Temperature Application
| 作者 | Yunsong Xu · Ang Li · Fan Li · Guohao Yu · Zhongming Zeng · Baoshun Zhang |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年9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 | 双向开关 氮化镓 高温稳定性 工作频率 功率转换系统 |
语言:
中文摘要
双向开关在电力应用中得到了广泛应用，特别是在交 - 交矩阵变换器和固态断路器中。本研究展示了一种基于氮化镓（GaN）的单片集成双向开关，其特点是采用了双栅高电子迁移率晶体管（HEMT），并且驱动器也集成在同一芯片上。所提出的双向 GaN 开关的实验结果（包括静态和瞬态特性）表明，该开关在高达 250 °C 的温度下具有稳定性。在 10 V 电压下，其工作频率已提高到 1 MHz。据我们所知，首次报道了该开关在 1 kHz 频率下作为 ±311 V 交流功率斩波器可在高达 250 °C 的高温下运行。这些显著的潜力为高频、高功率密度电力转换系统的发展提供了可能。
English Abstract
Bidirectional switches are widely utilized in power applications, especially in AC-AC matrix converters and solid-state circuit breakers. This work demonstrates a GaN-based monolithically integrated bidirectional switch featuring a dual-gate HEMT, and drivers fabricated on the same chip. The experimental results, including both static and transient characteristics of the proposed bidirectional GaN switch, demonstrate high-temperature stability up to 250~^ C. The operating frequency has been enhanced to 1 MHz at 10 V. High-temperature operation up to 250~^ C as a ±311 V AC power chopper at 1 kHz is reported for the first time to the best of our knowledge. These significant potential enables the development of a high-frequency, high power density power conversion system.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项GaN基单片集成双向开关技术具有重要的战略价值。该技术实现了增强型GaN双向开关与驱动电路的单片集成，并展现出250°C高温稳定运行能力，这对我们在光伏逆变器、储能变流器及矩阵变换器等核心产品的性能提升具有显著意义。
技术价值方面，该双向开关在1 MHz高频运行和±311V交流斩波应用中的突破，可直接赋能我们的产品实现更高功率密度和系统集成度。单片集成方案消除了传统分立器件的寄生参数和布局复杂性，有助于降低储能双向变流器的体积和成本，这对于提升我们在工商业储能和户用储能市场的竞争力至关重要。高温特性则可减少散热系统需求，特别适合光伏逆变器在极端环境下的应用场景。
从应用前景看，该技术在AC-AC矩阵变换器和固态断路器领域的潜力与我们布局的柔性直流配电、微电网保护等新兴业务高度契合。1 MHz的开关频率可显著缩小无源器件尺寸，推动逆变器向更高功率密度演进，契合行业"小型化、轻量化"趋势。
然而技术挑战不容忽视。GaN器件的长期可靠性验证、成本控制以及与现有硅基产品线的兼容性需要深入评估。建议我们与该技术团队建立合作关系，在实验室环境下进行中试验证，重点关注其在高湿度、高海拔等复杂工况下的表现，同时评估大规模量产的经济可行性，为未来3-5年的产品迭代储备关键技术。