← 返回
堆叠式强耦合GaN/SiC级联器件及其快速开关与可回收强dv/dt控制
Stacked Strongly Coupled GaN/SiC Cascode Device With Fast Switching and Reclaimed Strong dv/dt Control
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN-HEMT/SiC-JFET级联器件 开关损耗 寄生互连电感 dv/dt可控性 宽禁带半导体 |
语言:
中文摘要
我们提出了一种氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN - HEMT）/碳化硅结型场效应晶体管（SiC - JFET）共源共栅器件，该器件用高质量的氮化镓二维电子气（2DEG）沟道取代了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）中对性能和可靠性限制最大的低迁移率MOS沟道。与SiC MOSFET相比，GaN/SiC共源共栅器件的p - GaN栅极堆叠结构具有更低的栅极电荷<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${Q}_{\text {G}}$ </tex - math></inline - formula>、热稳定的阈值电压<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula>、更小的比导通电阻<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R}_{\text {ON. {SP}}}$ </tex - math></inline - formula>，以及更快的开关速度和显著更低的开关损耗。一种采用堆叠GaN和SiC芯片的紧凑型三维共封装解决方案可大幅降低寄生互连电感（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${L}_{\text {P}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>），从而抑制开关延迟和开关损耗。更重要的是，极低的<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${L}_{\text {P}}$ </tex - math></inline - formula>在恢复dv/dt可控性方面起着关键作用，长期以来，dv/dt可控性一直是共源共栅器件普遍存在的问题，使其易受电磁干扰（EMI）问题的影响。在极低的<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${L}_{\text {P}}$ </tex - math></inline - formula>条件下，低压栅极控制的GaN HEMT中增加的栅极 - 漏极电容耦合（即<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${C}_{\text {GD}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>）可通过改变栅极驱动电路中的外部栅极电阻<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R}_{\text {G}}$ </tex - math></inline - formula>实现强大的dv/dt控制，这是应用中最简单且用户友好的控制方法。所展示的GaN/SiC共源共栅器件揭示了一种能够充分发挥宽禁带（WBG）半导体潜力的终极功率器件。
English Abstract
We present a GaN-HEMT/SiC-JFET cascode device that replaces the most performance- and reliability-limiting low-mobility MOS channel of SiC MOSFETs with a high-quality GaN 2-D-electron-gas (2DEG) channel. Compared with SiC MOSFETs, the p-GaN gate-stack of the GaN/SiC cascode device delivers much lower gate charge Q_ G , thermally stable threshold voltage V_ TH , smaller specific on-resistance R_ ON. {SP} , and faster switching speed with substantially lower switching loss. A compact 3-D co-packaging solution with stacked GaN and SiC chips results in greatly reduced parasitic interconnection inductance ( L_ P ) , thereby suppressing the switching delay and switching loss. More importantly, the ultralow L_ P is shown to play a critical role in reclaiming the dv/dt controllability, which has long been a prevalent issue for cascode devices that make them vulnerable to electromagnetic interference (EMI) issues. With an ultralow L_ P , an increased capacitive gate-to-drain coupling (i.e., C_ GD ) in the low-voltage gate control GaN HEMT would allow strong dv/dt control via changing the external gate resistance R_ G in the gate driver circuit, which is the most simple and user-friendly control method in applications. The demonstrated GaN/SiC cascode device unveils an ultimate power device that unlocks the full potential of wide bandgap (WBG) semiconductors.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项GaN/SiC共栅极级联器件技术具有重要的战略价值。该技术通过将GaN HEMT的高质量二维电子气沟道与SiC JFET结合，有效规避了传统SiC MOSFET低迁移率MOS沟道的性能瓶颈，这对我们的光伏逆变器和储能变流器产品线具有显著的性能提升潜力。
该技术的核心优势与阳光电源的产品需求高度契合。更低的栅极电荷、更小的导通电阻和更快的开关速度，直接转化为逆变器系统效率的提升和功率密度的增加。特别是在大功率集中式逆变器和储能PCS产品中，开关损耗的降低可显著改善系统热管理，减小散热器体积，降低整机成本。三维堆叠封装技术带来的超低寄生电感，不仅能进一步降低开关损耗，更重要的是解决了级联器件长期存在的dv/dt可控性难题，这对于降低EMI、简化滤波器设计具有重要意义。
从技术成熟度评估，该方案仍处于研发阶段，面临GaN与SiC异质集成的工艺复杂性、成本控制和长期可靠性验证等挑战。但其技术路线清晰，充分发挥了两种宽禁带半导体材料的互补优势，代表了功率器件的发展方向。
对阳光电源而言，建议密切跟踪该技术的产业化进展，评估在下一代高频化、高功率密度逆变器平台的应用可能性。同时可考虑与相关器件厂商建立合作，参与早期技术验证，为未来2-3年的产品迭代储备技术方案。这项技术若成功产业化，将有助于巩固我们在新能源电力电子领域的技术领先地位。