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衬底偏压对欧姆p型栅GaN高电子迁移率晶体管非钳位感性开关能力的影响
Effect of Substrate Bias in Ohmic p-Gate GaN-HEMTs on Unclamped Inductive Switching Capability
| 作者 | Wataru Saito · Shin-Ichi NIshizawa |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 无钳位电感开关能力 衬底偏置 空穴电流路径 栅极电阻 |
语言:
中文摘要
本文测量了欧姆 p 栅氮化镓（GaN）-高电子迁移率晶体管（HEMT）在不同衬底偏置条件下的非钳位电感开关（UIS）能力。GaN-HEMT 的一个关键缺点是其 UIS 能力极低，因为没有用于消除碰撞电离产生的空穴的结构。因此，过电压应力导致的失效位置在很大程度上取决于碰撞电离产生的空穴的电流路径。本文报道，通过调制空穴电流路径，浮动或正偏置衬底条件可以提高欧姆 p 栅 GaN-HEMT 的 UIS 能力。此外，在浮动衬底条件下增加栅极电阻会减缓电压变化率（dV/dt），导致在半导通状态下消耗更多的能量，进而提高 UIS 能力。
English Abstract
The unclamped inductive switching (UIS) capabilities of ohmic p-gate gallium nitride (GaN)-high electron mobility transistor (HEMT) under various substrate bias conditions were measured. One of the critical disadvantages of GaN-HEMTs is their ultralow UIS capability because there is no structure for the removal of holes generated by the impact ionization. Therefore, the failure position due to overvoltage stress strongly depends on the current path of the holes generated by impact ionization. This article reports that the UIS capability of ohmic p-gate GaN-HEMTs can be improved by a floating or positive biased substrate condition due to the modulation of the hole current path. Additionally, increasing the gate resistance in the floating substrate condition slows down dV/dt, leading to a greater amount of energy being consumed in the semi-on state, which in turn increases the UIS capability.
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SunView 深度解读
从阳光电源光伏逆变器和储能系统的核心应用场景来看，这项关于欧姆p栅GaN-HEMT器件非钳位感性开关能力的研究具有重要的技术参考价值。GaN功率器件凭借其高开关频率、低导通损耗等优势，正逐步成为我司下一代高效率逆变器和储能变流器的关键技术路线，但其固有的低UIS能力一直是制约大规模应用的瓶颈。
该研究揭示了通过衬底偏置调控和栅极电阻优化来提升GaN-HEMT抗雪崩能力的机理，这对我司产品设计有三方面启示：首先，在光伏逆变器的MPPT开关和储能双向变流器的功率级设计中，感性负载开关应力是常态工况，提升UIS能力可直接增强系统在电网扰动、负载突变等异常情况下的鲁棒性；其次，浮地或正偏衬底方案通过改变冲击电离产生的空穴电流路径，为我司开发具有内置保护功能的GaN模块提供了新思路；第三，通过增大栅极电阻降低dV/dt以提升能量耗散能力的方法，可与我司现有的软开关拓扑和主动钳位技术形成协同优化。
从技术成熟度评估，该研究仍处于器件级验证阶段，距离产品化应用需要解决衬底偏置电路的成本和复杂度问题，以及长期可靠性验证。但考虑到GaN技术在我司2025-2030战略规划中的核心地位，建议技术中心跟踪相关专利布局，并在1500V高压储能系统等对可靠性要求极高的场景中进行预研性评估，为未来全GaN化功率模块设计储备技术能力。