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具有非钳位感性开关和紫外脉冲激光辐照下抗浪涌能量能力的高鲁棒性p-GaN栅极HEMT
Highly Robust p-GaN Gate HEMT With Surge-Energy Ruggedness Under Unclamped Inductive Switching and UV Pulse Laser Irradiation
| 作者 | Feng Zhou · Tianyang Zhou · Can Zou · Rong Yu · Junfan Qian · Weizong Xu |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 非雪崩p - GaN HEMT 动态过电压 瞬态浪涌能量 浪涌能量耗散 高功率开关应用 |
语言:
中文摘要
非雪崩型 p - GaN 栅高电子迁移率晶体管（HEMT）对于动态过电压（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {over.}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>）和瞬态浪涌能量（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${E}_{\text {sur.}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>）冲击的鲁棒性对于器件应用至关重要，尤其对于高功率开关应用而言。在本研究中，通过精心构建从漏极到源极的能量耗散通道，所提出的器件成功具备了承受动态过电压并安全耗散浪涌能量的能力，实现了 1.85 kV 的最大动态过电压（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {over.}}$ </tex - math></inline - formula>）和 11.7 J/cm² 的浪涌能量（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${E}_{\text {sur.}}$ </tex - math></inline - formula>），创下了基于 GaN 器件的性能记录。此外，该器件能够承受超过 100 万次的重复非钳位感性开关（UIS）能量冲击，显示出强大的鲁棒性。特别地，在紫外脉冲激光照射和电感瞬态的极端条件下，该器件仍表现出显著的生存能力。这些结果揭示了具有浪涌能量耗散和过电压承受能力的非雪崩型 p - GaN HEMT 在高功率开关应用方面的巨大潜力。
English Abstract
The robustness of non-avalanche p-GaN gate HEMTs against dynamic overvoltage ( V_ over. ) and transient surge-energy ( E_ sur. ) shocks is critical for device applications, especially for high-power switching applications. In this work, by carefully constructing an energy dissipating passage from the drain to the source, the proposed device successfully possesses the ability to withstand dynamic overvoltage and safely dissipate surge energy, achieving a maximum V_ over. of 1.85 kV and an E_ sur. of 11.7 J/cm2, setting a performance record for GaN-based devices. Furthermore, the device sustains over 1-million times repeated UIS energy shocks, revealing strong robustness. In particular, under extreme conditions of UV pulse laser irradiation and inductive transient, the device still exhibits notable survivability. These results reveal the great potential of non-avalanche p-GaN HEMTs with surge energy dissipating and overvoltage sustaining capabilities for high-power switching applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项p-GaN栅极HEMT器件的鲁棒性突破具有重要战略意义。该技术在非雪崩模式下实现了1.85kV的动态过压承受能力和11.7 J/cm²的浪涌能量耐受度，这一性能指标直接契合我们光伏逆变器和储能变流器在实际工况中面临的关键痛点。
在光伏逆变器应用中，电网扰动、雷击浪涌和感性负载切换引发的瞬态冲击是功率器件失效的主要原因。该器件通过精心构建的漏-源能量耗散通道，展现出百万次重复UIS（非钳位感性开关）冲击的生存能力，这意味着在复杂电网环境下系统可靠性将显著提升，可有效降低我们逆变器产品的现场故障率和维护成本。
对于储能系统，该技术的价值更为突出。储能变流器频繁进行充放电切换，功率器件长期承受高di/dt和dv/dt应力。该器件在极端UV脉冲激光辐射下仍保持存活能力的特性，表明其在恶劣环境（如高海拔光储电站）应用中具有超强环境适应性。更重要的是，GaN器件的高频开关特性可助力我们开发更高功率密度的储能产品，满足工商业储能对紧凑化、轻量化的需求。
技术挑战方面，该研究尚处于器件层面验证阶段，距离量产应用需要解决成本控制、散热设计、驱动电路适配等系统级问题。但考虑到GaN功率器件的技术成熟度快速提升，建议我们提前布局与芯片厂商的联合开发，在下一代高压大功率产品平台中预留技术接口，抢占技术制高点。这项技术突破为阳光电源在1500V及以上高压系统应用中建立差异化竞争优势提供了重要机遇。