GaN HEMT半导体器件的特点及其应用

高秋荣

2018/07/03
国联质检团队

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西安国联质量检测技术股份有限公司

品控张敏莉

摘要：随着电力电子技术的发展，高频、高功率密度成为未来的发展趋势，GaN器件由于其高频、低损耗等特点而受到广泛关注。本文通过将GaN HEMT器件和Si器件进行对比，对GaN HEMT半导体器件的自身特性以及未来的应用趋势进行综述。
关键词：电力电子器件；GaN器件与传统的Si器件相比，GaN宽禁带半导体材料有很多出色的性能,随着其商业化，其应用也越来越广泛，本文针对增强型GaN器件的特性进行分析，
1 GaN功率器件的特点
1.1 与Si功率器件的特性对比
表 1 宽禁GaN器件与传统Si器件对比
Tab.1 The comparison of Wide Band Gap GaN device and Traditional Si devices

器件特性	IPW65R110CFDA Cool MOSFET	GS66508B GaN HEMT
漏源电压V_DS/V	650	650
通态电流I_D/A(25℃)	31.2	30
通态电流I_D/A(100℃)	19.7	25
通态电阻R_DS(on)/mΩ(25℃)	110	50
驱动电压Vgs/V	-20/20	-10/7
驱动阈值电压V_GS(th)/V	4	1.3
输入电容C_iss/pF	3240	260
反向恢复电荷Q_rr/nC	800	0
封装	14.81x9.70mm²	7.0x8.4mm²

表1是选取了GaN System公司的GaN器件GS66508B以及Infineon公司的Si器件Cool MOSFET进行主要的参数对比。100℃和25℃下通态电流的对比可以发现GaN HEMT的高温稳定性能更好，在高温下仍能承受很高的电流；通态电阻对比可以发现GaN HEMT的通态电阻更小，其通态功率损耗小，提升变换器的效率；通过对比驱动电压可以发现GaN HEMT驱动电压更小，驱动电源设计更加简化；通过驱动阈值电压以及输入电容可以发现，GaN HEMT的驱动阈值电压以及输入电容远远小于Si器件，说明再开通过程中米勒效应影响较小、驱动损耗小、开通时间更短、开通损耗更小、开关频率更高；通过对比反向恢复电荷可以发现GaN HEMT的反向恢复特性好，反向恢复损耗小；通过对比封装可以发现，相同的电压等级下，GaN的封装面积更小。

1.2 GaN半导体器件其他特性
GaN HEMT除了以上的从datasheet中可以得到的特性外，还可以发现GaN HEMT还存在以下特性：
1) 虽然GaN HEMT的开关频率比Si Cool MOSEFET高很多，但实际测试以及实验中发现，其共模干扰与Si MOSFET相差不大。
2) GaN HEMT。

1.3 GaN器件应用上存在的问题
2 功GaN器件的应用趋势
2.1 发展现状

表1是选取了功率等级相同的GaN器件以及Si器件进行其材料性能的对比。

图 1 现有光伏逆变器功率密度分析
2.2 宽禁带器件的应用前景
表 2 目前已经商用的SiC功率器件

材料特性	U_DS /V	R_ON /m	I_Dmax /A	U_GS(DC) /V
C3M0065090J	900	65	35	-4/15
C3M0120100J	1000	120	22	-4/15
C2M0025120D	1200	25	90	-5/20
C2M0045170D	1700	45	72	-5/20

表 3 目前已经商用的GaN功率开关器件

材料特性	U_DS /V	R_ON /m	I_Dmax /A	U_GS(DC) /V	U_GS(DC) /V
EPC2100	30	8	9.5	-4/6	0.8/2.5
EPC2033	15	7	31	-4/6	0.8/2.5
EPC2025	300	120	6.3	-4/6	0.8/2.5
EPC66502	650	220	7	-10/7	0.8/2.5

(a) GaN HEMT开通波形

(b) GaN HEMT关断波形

(a) Si MOSFET开通波形

(b) Si MOSFET关断波形

图 2 GaN HEMT和Si MOSFET开通关断波形对比

2.3 宽禁带器件的目前应用实例
表 4 SiC 器件在光伏逆变器中的应用情况

年份	单位	功率 /kW	效率 %	功率密度（KW/L）
2014	三菱和欧姆龙	5.5	--	--
2014	富士电机	20	99	0.25
2014	富士电机	1	98.8	0.2
2015	三菱	4.4	98	0.26
2015	美国科锐	50	99.1	0.23