1万伏！丰田GaN新技术明年量产
2024-03-26 15:28:15
量伙Z
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2月13日，据日本媒体报道，丰田合成已经开发了一种可以承受10000V或更高电压的氮化镓器件，预计2024年将会量产，目标应用包括汽车OBC，甚至是直流微电网。
此前报道提到，丰田合成这项氮化镓技术采用了全新结构——极性超结（PSJ）GaN FET(.链接.)。今天，我们来分析一下这项技术是如何实现的，以及它的最新进展。如今市面上基于HEMT结构的横向GaN功率器件的击穿电压普遍为650V左右，难以达到汽车等大功率器件应用需求。据日经XTECH报道，丰田合成联合Powdec公司开发了基于极性超结（PSJ）的GaN FET产品，该结构不仅具有二维电子气（2DEG），还有二维空穴气（2DHG），因此既可以实现高速开关操作，又可以实现高耐压，从而解决了传统GaN HEMT电场集中的难题。据介绍，丰田合成的PSJ-GaN FET开关频率显著高于SiC MOSFET（上限数百 kHz）和 Si IGBT（几十 kHz），同时击穿电压等于或高于 SiC 器件；两家公司已证明，PSJ-GaN功率晶体管可以实现超过10000V 的击穿耐压，单颗PSJ GaN FET 的功率容量上限可达约10 kW。
早在2016年，Powdec就已成功在蓝宝石衬底上制造出具有 1200V 额定电压和小于100 mΩ导通电阻的GaN PSJ氮化镓器件。Powdec当时表示，常见的GaN功率器件是在Si(111) 衬底上实现的，额定电压为600V的器件所需的氮化层厚度通常为 5μm 或更厚，而他们的PSJ器件即使氮化层厚度薄至1μm，器件的击穿电压也能够高达6000V。不过，丰田合成表示，由于蓝宝石衬底通常是应用在LED，存在较多的晶体缺陷，因此在最近开发的器件中，丰田合成正在采用高质量 GaN on GaN 衬底，来制作 PSJ 结构氮化镓器件。该公司表示，采用氮化镓衬底可使薄层电阻降低约40%、可处理更大的电流；同时可将2DEG的迁移率提高约1.5倍，将2DHG的迁移率提高约2倍。今年1月份，POWDEC宣布已经开发了基于PSJ氮化镓的8kW功率模块，该模块的开关速度是硅产品的100倍左右，而且与普通氮化镓产品相比，该模块可耐受2倍以上的高电压。POWDEC未来打算开发可耐受更高的800伏电压的产品，目标是在2024年之前实现产品化。POWDEC社长成井启修表示：“如果推进元件的优化，还可以使控制速度提高数十倍”。而据丰田合成介绍，他们正在参与日本政府的节能化项目，开发基于PSJ结构的GaN FET的直流微电网高效功率调节器。预计到2024年，他们将开发出耐压1500V以上、电流25A以上的器件，实现最大效率98%以上、轻量化70%以上的功率调节器目标。
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