1萬伏！豐田GaN新技術明年量產

2024-03-26 15:28:15 量伙Z 445

2月13日，據日本媒體報道，豐田合成已經開發了一種可以承受10000V或更高電壓的氮化鎵器件，預計2024年將會量產，目標應用包括汽車OBC，甚至是直流微電網。

此前報道提到，豐田合成這項氮化鎵技術采用了全新結構——極性超結（PSJ）GaN FET(.鏈接.)。今天，我們來分析一下這項技術是如何實現的，以及它的最新進展。

豐田極性超結氮化鎵

擊穿電壓高達1萬伏

如今市面上基于HEMT結構的橫向GaN功率器件的擊穿電壓普遍為650V左右，難以達到汽車等大功率器件應用需求。

據日經XTECH報道，豐田合成聯合Powdec公司開發了基于極性超結（PSJ）的GaN FET產品，該結構不僅具有二維電子氣（2DEG），還有二維空穴氣（2DHG），因此既可以實現高速開關操作，又可以實現高耐壓，從而解決了傳統GaN HEMT電場集中的難題。

據介紹，豐田合成的PSJ-GaN FET開關頻率顯著高于SiC MOSFET（上限數百 kHz）和 Si IGBT（幾十 kHz），同時擊穿電壓等于或高于 SiC 器件；兩家公司已證明，PSJ-GaN功率晶體管可以實現超過10000V 的擊穿耐壓，單顆PSJ GaN FET 的功率容量上限可達約10 kW。

襯底改用氮化鎵

性能再次得到提升

早在2016年，Powdec就已成功在藍寶石襯底上制造出具有 1200V 額定電壓和小于100 mΩ導通電阻的GaN PSJ氮化鎵器件。

Powdec當時表示，常見的GaN功率器件是在Si(111) 襯底上實現的，額定電壓為600V的器件所需的氮化層厚度通常為 5μm 或更厚，而他們的PSJ器件即使氮化層厚度薄至1μm，器件的擊穿電壓也能夠高達6000V。

不過，豐田合成表示，由于藍寶石襯底通常是應用在LED，存在較多的晶體缺陷，因此在最近開發的器件中，豐田合成正在采用高質量 GaN on GaN 襯底，來制作 PSJ 結構氮化鎵器件。

該公司表示，采用氮化鎵襯底可使薄層電阻降低約40%、可處理更大的電流；同時可將2DEG的遷移率提高約1.5倍，將2DHG的遷移率提高約2倍。

將用于微電網

GaN模塊產品明年量產

今年1月份，POWDEC宣布已經開發了基于PSJ氮化鎵的8kW功率模塊，該模塊的開關速度是硅產品的100倍左右，而且與普通氮化鎵產品相比，該模塊可耐受2倍以上的高電壓。

POWDEC未來打算開發可耐受更高的800伏電壓的產品，目標是在2024年之前實現產品化。POWDEC社長成井啟修表示：“如果推進元件的優化，還可以使控制速度提高數十倍”。

而據豐田合成介紹，他們正在參與日本政府的節能化項目，開發基于PSJ結構的GaN FET的直流微電網高效功率調節器。

預計到2024年，他們將開發出耐壓1500V以上、電流25A以上的器件，實現最大效率98%以上、輕量化70%以上的功率調節器目標。

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