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功率器件技术 GaN器件 ★ 5.0

基于GaN-on-Si技术的自兼容高压级联晶体管

Self-Compatible Transistors in GaN-on-Si Technology for High-Voltage Cascodes

作者 Richard Reiner · Patrick Waltereit · Michael Basler · Daniel Grieshaber · Stefan Mönch · Rüdiger Quay
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年10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 AlGaN/GaN-on-Si技术 多级级联功率晶体管 自兼容 高压应用 模块化堆叠
语言:

中文摘要

本研究介绍了基于硅基氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN-on-Si)技术的自兼容多级级联功率晶体管“模块”的设计与特性表征,该模块可实现模块化堆叠,适用于高压应用。与传统方法(如超级级联或多电平拓扑)不同,所提出的解决方案由堆叠的晶体管分段直接驱动,无需额外组件,如栅极控制网络或带电平转换的多个驱动器。这使得配置更加简单且成本更低。利用自兼容构建模块的概念,我们展示了直接驱动的多级级联器件,其中所有分段均采用相同结构。通过栅极绝缘层工程实现了对高度负阈值电压的关键要求,同时器件仿真证实了分段电位稳定且电压分配良好。特性表征显示,每个模块的导通电阻为 250 毫欧,最大电流为 27 安,关态阻断电压高达 600 伏。下拉引脚可实现模块器件的直接互连,由两个模块组成的原型堆叠验证了这一点,该堆叠的测试电压可达 1000 伏。这种模块化和自兼容的方法简化了电压缩放,降低了设计复杂度,有助于高压电力电子系统的实际可扩展实施。

English Abstract

This work presents the design and characterization of self-compatible, multistage cascode power transistor “bricks” based on AlGaN/GaN-on-Si technology, enabling modular stacking for high-voltage applications. In contrast to conventional approaches, such as super cascodes or multilevel topologies, the proposed solution is directly driven by stacked transistor segments and eliminates the need for additional components, such as gate control networks or multiple drivers with level shifting. This results in a simpler and more cost-effective configuration. Utilizing the concept of self-compatible building blocks, we demonstrate directly driven, multistage cascode devices, in which all segments share an equal structure. The critical requirement for a highly negative threshold voltage is achieved through gate insulator engineering, while device simulations confirm stable segment potentials and robust voltage sharing. Characterization reveals an on–resistance of 250 m , a maximum current of 27 A, and off-state blocking voltages up to 600 V per brick. The pull-down pin enables direct interconnection of brick devices, demonstrated by a prototype stack with two bricks, which is measured up to 1000 V. This modular and self-compatible approach simplifies voltage scaling and facilitates the practical, scalable implementation of high-voltage power electronic systems with reduced design complexity.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于GaN-on-Si技术的自兼容级联功率晶体管方案具有重要的战略价值。该技术通过模块化"积木式"设计实现高压应用,与我们在光伏逆变器和储能变流器领域对高效率、高功率密度的持续追求高度契合。

技术的核心创新在于消除了传统级联拓扑中复杂的门极控制网络和多驱动器电平转换电路,这直接降低了系统复杂度和成本。对于阳光电源的1500V光伏系统和大型储能PCS产品线,这种简化的驱动方案可显著提升系统可靠性并降低BOM成本。单个"砖块"实现600V耐压、250mΩ导通电阻和27A电流能力,两级堆叠达到1000V的演示表明该技术路线具备向更高电压等级扩展的潜力。

从应用成熟度评估,GaN-on-Si技术本身已趋于成熟,但该论文提出的自兼容级联架构仍处于验证阶段。关键技术挑战包括:多级堆叠时的电压均衡稳定性、高温高湿环境下的长期可靠性、以及与现有碳化硅方案的成本-性能平衡。特别是通过栅极绝缘层工程实现的高负阈值电压设计,需要在量产工艺中验证其一致性和稳定性。

对阳光电源而言,该技术提供了差异化机遇:可在中高压应用(如组串式逆变器、模块化储能系统)中探索GaN方案,以更高开关频率实现功率密度提升和磁性元件小型化。建议与该技术团队建立合作关系,开展联合验证测试,评估在实际工况下的性能表现,同时关注其产业化进程和成本下降曲线,为未来产品迭代储备技术选项。