下一代氮化镓大功率高集成数字电源关键技术及应用

新材料及其应用

第三代半导体氮化镓 (Gallium Nitride, GaN) 功率器件因工作频率高、导通电阻小、工作电压高等优点，被认为是下一代电力电子技术中替代Si功率器件的有力选择。然而，目前器件耐压偏低、动态可靠性待提高，以及现有电路与控制方案难以充分发挥GaN器件自身优势的三大痛点问题，仍制约其无法在大功率中广泛应用。

针对上述三大核心痛点问题，主要的解决方案是：

(1) 创新性提出RESURF复合场板电场均匀化与复合介质层界/表面控制新技术，突破了GaN功率器件耐压低和可靠性的难题；

(2) 提出融合i2SiP集成和PCB磁集成工艺的大功率多芯片模块化集成新方案，突破了GaN功率模块寄生参数大和工作频率低的难题；

(3) 提出独特的全数字化多模态智能控制与保护新策略，突破了GaN大功率电源效率低、多电平多相交错控制难的难题。

大功率GaN器件、集成模块与数字电源的市场应用前景十分看好。首先，受限于Si材料物理极限，传统Si基电源的效率与功率密度等关键指标难以再有显著提升。而得益于GaN功率器件的优异性能，GaN基电源可以在实现更高效率、更高功率密度的同时更加小型化、轻量化，从而降低电源系统成本；其次，尽管当前GaN器件仅在中小功率消费电子领域广泛产业化，但GaN材料及器件的理论性能远不止于此。随着上述三大痛点技术相继突破，GaN未来有望在通信电源、数据中心、光伏储能以及车载充电等大功率领域广泛应用。

(1)已证明采用复合场板和复合介质技术能够将GaN功率器件耐压水平提升至kV级，实验室耐压水平提升至2.4kV，同时显著提升器件动态可靠性能。

(2)已证明采用多芯片融合集成方案能够有效提升GaN功率模块集成度，并且工作频率高达500kHz以上，较传统方案提升近5倍。

(3)已证明采用多模态数字化智能控制能够将GaN大功率电源系统效率提升至97.8%，满载THD相较传统模拟控制方案降低25%以上。