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蓝宝石衬底上高压p-GaN栅HEMT的自增强非钳位感性开关鲁棒性
Self-Enhanced Unclamped-Inductive-Switching Robustness of High-Voltage p-GaN Gate HEMT on Sapphire Substrate
| 作者 | Sheng Li · Yanfeng Ma · Hao Yan · Mingfei Li · Weihao Lu · Ran Ye |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6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 | 氮化镓蓝宝石衬底HEMT 非钳位电感开关行为 碰撞电离 过电压 鲁棒性自增强 |
语言:
中文摘要
首次发现并研究了蓝宝石衬底上高压 p 型氮化镓（GaN）栅高电子迁移率晶体管（HEMT）（蓝宝石衬底 GaN HEMT）一种新颖的自增强非钳位电感开关（UIS）行为。除了传统的硅基 GaN HEMT 类似 LC 的谐振行为外，蓝宝石衬底 GaN HEMT 的 UIS 行为有显著偏差，且呈现出与温度相关的击穿电压，这表明高电场可能会引发碰撞电离，并主导击穿现象。此外，进行了技术计算机辅助设计（TCAD）仿真和输出电容表征，共同证实了这一机制。由于电感能量通过碰撞电离电流耗散，蓝宝石衬底 GaN HEMT 的过电压比理论谐振电压低 32.1%。最后，蓝宝石衬底 GaN HEMT 的 UIS 鲁棒性实现了自增强。
English Abstract
A novel self-enhanced unclamped-inductive-switching (UIS) behavior of high-voltage p-gallium nitride (GaN) gate high-electron-mobility transistor (HEMT) on sapphire substrate (GaN-on-sapphire HEMT) is first discovered and investigated. In addition to the traditional LC-like resonance behavior of GaN-on-Si HEMT, the UIS behavior of GaN-on-sapphire HEMT deviates significantly and exhibits temperature-dependent failure voltage, indicating that impact ionization may be induced by the high electric field (E-field) and dominates the failure phenomenon. Furthermore, Technology Computer-Aided Design (TCAD) simulations and output capacitance characterization are carried out, which collectively confirm this mechanism. As the inductive energy is dissipated by impact ionization current, the overvoltage of GaN-on-sapphire HEMT is 32.1% lower than the theoretical resonant voltage. Finally, the UIS robustness of GaN-on-sapphire HEMT is self-enhanced.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于蓝宝石基GaN功率器件的研究具有重要的战略意义。该技术揭示了p-GaN栅极HEMT在蓝宝石衬底上展现出的自增强型非钳位感性开关（UIS）鲁棒性，这一特性对我们的光伏逆变器和储能变流器等核心产品的可靠性提升具有直接价值。
研究发现，相比传统的硅基GaN器件，蓝宝石基GaN-HEMT在UIS工况下通过碰撞电离机制自发耗散感性能量，使过电压峰值降低32.1%。这一特性在逆变器的硬开关应用场景中尤为关键，能够显著增强器件在电感负载切换、雷击浪涌等极端工况下的生存能力，直接关系到我们产品在户外恶劣环境下的长期可靠性。
从技术成熟度评估，该研究通过TCAD仿真和输出电容表征验证了碰撞电离机制，理论基础扎实，但距离规模化应用仍需关注几个关键点：首先，蓝宝石衬底的成本较硅衬底更高，需要评估性价比优势；其次，碰撞电离带来的自加热效应对长期可靠性的影响需要进一步验证；再者，与现有硅基GaN产业链的兼容性也是量产化的考量因素。
对阳光电源而言，这项技术为下一代高可靠性功率器件提供了新方向。建议我们的研发团队密切跟踪该技术路线，评估在高端储能系统和大功率光伏逆变器中的应用潜力，同时与上游供应链探讨蓝宝石基GaN器件的定制化开发可能性，在保证成本竞争力的前提下，打造差异化的高可靠性产品优势。