sukiyaki 发表于 2019-4-10 09:57:40

对用于电力电子应用中的硅基氮化镓器件的可行性评估

作为典型的宽带隙半导体,与传统的Si基器件相比,GaN-on-Si(硅基氮化镓)器件具有许多优点。 在本文中,对电力电子应用的GaN-on-Si(硅基氮化镓)器件进行了全面的回顾和讨论,包括电动汽车(EV),光伏发电系统和微电网,并且本文主要设计挑战与解决方案进行讨论。 对于这些应用,主要实验结果表明GaN-on-Si(硅基氮化镓)器件具有不同方面的优势。一,简介随着可再生能源和智能电网的快速发展,电力电子被广泛认为是处理能量转换和控制的核心技术。由于成本低且易于实施,传统的硅基器件在电力系统领域一直占据主导地位。然而,高效率,高功率密度,长寿命以及在没有散热器的极端高温条件下工作的能力对于下一代功率转换器变得越来越重要。因此,业界提出了宽带隙功率器件,尤其是GaN器件,因为它们具有优异的材料特性,如高饱和速率(high saturation velocity),强临界场( strong criticalfield)和大带宽(large bandwidth),这将导致更低的导通电阻,更小的寄生电容,更快的切换速度等器件级特性。由于成本效益,在硅衬底上生长的GaN横向异质结器件( lateral heterojunctiondevices )正成为主导并且正在商业化。对于电力电子的应用,考虑到与现有栅极驱动电路的兼容性和系统的安全操作,通常需要关断特性。虽然级联配置似乎能有效实现“正常关断(normally off)”,但导通电阻似乎很高,直接栅极控制变得不切实际。因此,通过使用p-GaN栅极技术或金属 - 绝缘体 - 半导体(MIS,metal-insulator-semiconductor)栅极技术的E模式(既增强模式)GaN晶体管技术通常用于实现真正的正常关断(normally off)操作。特别地,后一种技术,即MIS栅极技术,如图1所示,通过蚀刻掉AlGaN势垒层并去除正极化电荷,在稳定性和制造能力方面显示出明显的优势。图1 MIS-FET的剖面示意图关于用于功率电子器件的GaN-on-Si(硅基氮化镓)功率器件的应用,存在三个主要的设计挑战,可归纳如下:由于高di / dt和dv / dt导致的寄生电感和电容的影响,这将导致栅极驱动电路和主电源电路中的过冲电压(overvoltage)现象;以及高开关速度引起的电磁干扰(EMI)问题;系统成本与对应的硅基器件相比偏高。由于尺寸小得多且没有昂贵的GaN器件封装,成本问题将最终得到解决。在效率和功率密度提高方面开发能够充分发挥GaN器件优势的应用对于未来市场至关重要。因此,本文将介绍用于各种电力电子和可再生能源应用的GaN器件的评论和讨论。2. GaN-on-Si功率器件的特性典型的AlGaN / GaN MIS-HEMT结构在图1中示出,其包括在Si衬底上的2-μm的缓冲层,1-nm 的AlN层,25nm 的Al0.25Ga0.75N和2nm GaN帽。典型的制造工艺是首先通过等离子体离子蚀刻形成台面隔离,然后在快速热退火之后通过金属叠层(Ti / Al / Ni / TiN)形成无Au(金)欧姆接触。在钝化工艺之后,沉积栅极电介质并且形成焊盘。图2示出了实验室中制造的器件的光学显微图像。图2:实验室中制造的AlGaN / GaN MIS-HEMT器件的光学显微图像。图3(a)显示了所制造的E模式(增强模式)器件的测量传输特性。对于D模式(耗尽模式)和E模式(增强模式)器件,漏极漏电流分别为10^-6 mA / mm和10^-8 mA / mm。通过蚀刻掉AlGaN势垒层(barrier layer),便可以成功地实现常关E模式操作,如图3(a)中的红色虚线所示。图3(b)显示了典型的Id-Vd性能。在Vd = 10V且Vg = 5V时,E模式器件的最大电流密度接近250mA / mm。图3 E模式(增强模式)GaN器件的典型特性曲线:(a)传输特性; (b)输出特性。GaN-on-Si(硅基氮化镓)功率器件的一个独特特性是零反向恢复电荷,这使它们成为半桥或全桥转换器中具有应用前景。此外,如图4所示,输出电容呈线性关系,这导致快速电容充电时间。图4电容的典型特性曲线(Transphorm公司的TP65H035WS)。3.主要电力电子应用本文将介绍用于电力电子应用的GaN-on-Si(硅基氮化镓)功率器件的若干示例,以显示基于GaN器件的优点。同时本文提供了主要要求,设计和实验结果。3.1电动汽车用双主动桥式变换器在电动汽车中,通常使用400V或600V DC总线。因此,由于双向功率流和电流隔离,双向双有源电桥(DAB, dual active bridge)转换器广泛用于电动汽车中的直流母线和电池或超级电容器之间。与传统的Si MOSFET相比,宽带隙GaN MOSFET具有优异的静态和动态性能,如低导通电阻,更高的工作频率,更小的输出电容,快速上升/下降速度,无反向恢复,更大的温度容差。低导通电阻可以显着降低功率器件的导通损耗,而快速上升/下降速度即使在硬开关条件下也能确保较低的开关损耗。较高的工作频率可以大大减少电感器或变压器等磁性元件的体积,从而确保更高的功率密度。由于基于GaN元件的DAB转换器具有较低的能量损耗和较高的功率密度,因此它还可以用作风力或光伏发电系统中的固态变压器,可以减小整个系统的尺寸并提高其效率。 1kW DAB转换器的原型样机是基于GaN MOSFET设计的,其工作频率为500 kHz,输入/输出电压限制在200 V。由于DAB转换器由两个对称的全桥组成,如图5(a)所示,一个全桥的PCB板布局如图图5(b)所示。建议的DAB板尺寸约为54mm x 62mm,仅为传统1kW的 基于Si(硅)的DAB转换器的一半。它证明了基于GaN的DAB可以显着提高功率密度。图5(c)的实验结果表明,在500 kHz开关频率下GaN开关的上升时间仅为5ns,远小于Si MOSFET的开关上升时间,这样即使在硬开关条件下也能显着降低开关损耗。图5(d)中的DAB转换器的操作波形示出了基于GaN的DAB转换器可以正常操作。图5(a)双有源桥式变换器的拓扑结构; (b)拟议的GaN基DAB原型的PCB布局; (c)关断时刻开关S1的电压; (d)初级交流电压v1和次级交流电压v2的波形以及电感器电流iL。在设计GaN基DAB转换器期间,为了实现更高的效率和功率密度,电感器和变压器放置在单个PCB板上。此外,驱动电路集成在电源开关中,可明显减小DAB转换器的体积。3.2用于光伏系统中直流功率优化器的子模块集成转换器光伏(PV,Photovoltaic )面板通常串联连接以形成串来实现高堆叠DC电压,并且这些串并联连接以实现高堆叠DC电流。最后,这些串并行连接以创建数组。这些系统通常表现出非常高的功率转换效率,但已经证明在老化或其他非理想条件下对太阳能收集无效。不平衡的工作条件将导致光伏(PV,Photovoltaic )模块之间的损耗,这通常由部分遮蔽,制造公差或污染等引起,导致PV电池产生的功率差异。如图6所示的DC / DC功率优化器(DCPO,dc/dc power optimizer),其中包含一个专用于每个面板的转换器,已被提议用于最大限度地减少失配条件下的能量损失。每个DC / DC功率优化器(DCPO,dc/dc power optimizer)执行独立的最大功率点跟踪(MPPT,maximum power point tracking )以减轻串联连接的太阳能电池板之间的不匹配效应。由于DCPO需要处理每个PV模块的全部功率,因此效率变得至关重要。这导致对高效功率转换器的需求。与传统的MOSFET或IGBT功率开关相比,GaN基开关更适合在DCPO领域使用,因为其具有以下优点:低导通电阻,减少应用条件下的损耗;低寄生电容和快速导通和关断时间确保系统在高频操作下的稳定性;高开关性能和高可实现的结温。图6.用于PV(光伏)电源系统的级联DC-DC架构。在实验步骤中,我们首先测试了降压(Buck)转换器。我们构建了一个原型,PCB布局如图7(a)所示。与传统的硅基硬件原型相比,GaN基原型非常小(44mm x 48mm)。图7(b)表示工作频率为500KHz的GaN基降压(Buck)转换器的工作状态。设计的GaN基降压转换器的实验效率曲线如图7(c)所示。曲线说明了电源传动系的转换效率,其中最大转换效率达到95%。图7(a)提出的GaN基原型的PCB布局。 (c)主波形,(d)测量效率。为了进一步提高功率密度,可以将驱动电路集成到电源开关中,这可以明显减小降压(Buck)转换器的尺寸。此外,DCPO可以设计成适合接线盒内部并实现子模块级最大功率点跟踪(MPPT,maximum power point tracking ),以减轻不匹配的负面影响。3.3微电网用高频电源转换器目前,微电网被认为是集成各种分布式能源如光伏系统和储能系统的首选架构。 DC微电网的一个例子如图8所示。图8(a)直流微电网; (b)同步降压(Buck)转换器。作为DC总线和能量资源(电源输入)或负载(电源输出)之间的接口,DC-DC或AC-DC转换器起着重要作用,因为它们决定了总的能量转换效率。与传统的MOSFET功率开关相比,GaN基器件具有如前所述很大的优点,因此,它们可以减小磁性元件的尺寸并增加功率密度。在不同的DC-DC转换器拓扑结构中,半桥或全桥结构已被广泛使用。图8(b)示出了采用同步降压(Buck)拓扑的一个示例,其可以直接用作从PV到DC总线的转换器。图9(a)显示了建造的原型和PCB布局,总尺寸仅为“44mm x 48mm”,与传统的基于Si MOSFET的降压转换器相比非常小。图9(b)给出了降压转换器的实验结果,工作频率为500 kHz,与传统的Si MOSFET相比有了显著的改善。该转换器的效率如图9(c)所示,从轻载到重载,功率转换效率可达95%。4.总结E-mode (增强模式)GaN-on-Si(硅基氮化镓)器件显示出许多独特的优点,特别是对于电力电子应用,这些应用已经通过PV(光伏)系统,电动汽车和微电网等不同的例子得到了广泛的验证。由于高频操作,电路中的寄生元件(例如寄生电感)可能导致严重后果。因此,应该很好地设计栅极驱动和功率回路,以便最小化换向回路电感。电路布局优化或多层PCB技术等功率集成技术对于基于GaN的电源转换器来说似乎很重要,以减少过冲,振铃和EMI问题。

天师猫神 发表于 2019-4-10 10:07:29

很好的资料学习了:lol
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