一、背景
功率转换器设计的一个关键目标是降低功率损耗以提高转换效率，这对可再生能源等应用产生影响。通过降低功率损耗，可以减小变换器元件的尺寸，从而使整个变换器的尺寸更小。因此，转换器的大小和成本完全取决于设计要求和应用，其中转换器的功率密度与其无源元件的大小成反比。由于开关频率的增加，功率密度和开关损耗增加，导致变换器效率降低。此外，采用多种软开关技术可以降低这些开关损耗，从而增加了变换器电路的复杂性。
近十年关键的研究集中在隔离直流-直流变换器，以提高转换效率和电压增益，以及降低开关损耗。大多数功率转换器可以单向向负载输送电力，如电机驱动器、不间断电源、可再生能源和电池充电器。另一方面，在其他应用中，要求转换器具有双向变流技术特性，可再生能源与电池存储应用就是一个很好的例子。考虑 WBG（宽禁带） 功率直流-直流变换器拓扑分类的一种可能的方法是按集成变换器和离散功率变换器进行分类。与注重高效率的离散变换器不同，集成变换器专注于将控制电路中的基本逻辑功能集成在同一芯片上，从而实现高度集成、高功效、降低系统复杂性、低成本和小面积，用于电动汽车(EV)、开关模式电源和直流电机驱动器等广泛的应用。从历史上看，硅(Si) MOSFET 技术在功率半导体器件中得到了广泛的应用。
二、硅器件问题
近年来，WBG 半导体材料被引入电力半导体市场。在各种 WBG 器件中，与 Si 器件相比，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件由于其出色的材料特性而提供了优越的功率转换器性能。针对高功率(HP)应用(高达几千瓦)的 GaN 器件的研究还很少。在硅基集成电路上使用 GaN 的高频(HF)、高效率、开关模式功率转换电路适用于下游应用，包括汽车和可再生能源技术。
今天的硅功率 MOSFET 和硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)是电力电子开关电路的主要组成部分。由于大量的大容量应用，具有600-6500V 阻断电压能力的先进硅 IGBT 正在出现。在过去的五年中，碳化硅器件已经商业化，在许多应用中有可能取代硅 IGBT。然而，进入 IGBT 市场仍然受到 SiC 器件制造成本高的限制。IGBT 的 ON 状态电流密度的降低导致阻断电压的增加。ON 状态的电流密度是由热因素决定的，例如封装的最大结温度。
然而，硅功率半导体器件存在几个问题：
1)高损耗: 相对较低的 Si 带隙(1.1 eV)和低临界电场(30 V/μm)导致高压器件厚度较大，导致较高的传导损耗。
2)低开关频率: 由于大多数载流子和硬开关操作，硅功率 MOSFET 产生高导通损耗。栅极电荷电容产生高尖峰电流，导致在高开关频率下增加传导损耗和开关损耗。另一方面，由于少数载流子和电导调制，与硅 MOSFET 相比，硅 IGBT 具有更高的电流密度。少数载波降低了 IGBT 的开关频率范围，从而降低了开关损耗。低开关频率也导致较大的电感器和电容器，导致结构上的笨重。
3)高漏电流和高温度: 典型情况下，结温和漏电流依赖于高本征载流子密度，导致硅功率器件的高本征载流子密度，从而导致结温和漏电流的增加。IGBT 的最高工作结温通常为125 °C。
三、WBG（宽禁带）器件
基于WBG的转换器能够在高操作电压（>1kV至数十kV）、高操作频率（数十kHz至数十GHz）和高操作温度（>150摄氏度）。因此，硅上GaN提供了优于体硅技术的性能，同时比SiC上GaN、GaN上GaN或金刚石上GaN更具成本效益。
通常，直流-直流转换器分为隔离和非隔离转换器，如图所示。隔离是指转换器的输入和输出之间的电气屏障。HF（大功率）变压器可以用作转换器中的电气屏障。屏障的好处是有助于不同输出电压极性的高压应用。大多数隔离直流-直流转换器利用零电压开关（ZVS）将1至5 kW范围内的HP转换器的效率提高到97%。然而，进一步提高非隔离转换器的效率是相当具有挑战性的。
此图片来源于网络
与Si技术相比，GaN是HP转换器的一种很有前途的半导体，可以进一步改善开关损耗，从而提高效率。GaN器件的可制造性仍有一些局限性，并且GaN器件成本高于Si。最近，制造商一直在不断解决这些局限性，降低GaN开发成本，目标是成本与Si相当的GaN器件。WBG器件的另一个限制是由于器件和印刷电路板（PCB）迹线中的寄生电感而导致的封装。由于开关损耗和频率操作低，但结温高，这些器件更受欢迎。为了实现GaN器件的小型化和充分利用，需要HF（高频）操作，因此必须最小化与芯片上互连和负载相关的寄生效应。对于负载，可以使用负载点（PoL）方法或使用集成电压调节器（IVR）来实现这种降低。
硅基功率器件可分为降压转换器、谐振升压转换器、谐振转换器和谐振单端初级电感转换器（SEPIC）。尽管IGBT和MOSFET都是电压控制的半导体器件，在开关电源（SMPS）应用中运行良好，但IGBT具有改进的功率处理能力。与MOSFET相比，IGBT具有更低的正向电压降。随着两个设备之间选择的增加，仅根据它们的应用程序来选择最佳设备变得越来越成问题。通常，MOSFET在200 kHz左右的较高开关频率下工作，而IGBT在10–20 kHz左右的较低开关频率下运行。
随着WBG功率半导体材料的发展，在大多数功率转换器中，磁性部件（电感器和变压器）和电容器对转换器的整体尺寸和成本有很大贡献。因此，为了使电能处理器小型化并降低成本，必须增加其开关频率。HP应用需要新兴的低损耗电路组件。这是WBG功率器件前景看好的基本原因；它们还提高了传统硅基功率转换器的能效，并开辟了新的高压-高压转换应用。
此图片来源于网络
SiC功率器件的使用可以提高系统级增益，例如最小化开关损耗、尺寸、体积和提高效率。当在混合动力电动汽车（HEV）中实现SiC功率器件而不是Si功率器件时，效率提高了10%，并且散热器减小到原始尺寸的1/3。目前，两种SiC多型体，如6H-SiC和4H-SiC，但4H-SiC目前在应用中更占主导地位。尽管这两种多型都具有相似的性质，但4H-SiC比6H-SiC更受欢迎，因为6H-SiC中的载流子迁移率在垂直和水平方向上不相同，而4H-SiC中载流子迁移率则在正交方向上相同。
此图片来源于网络
四、片上WBG（宽禁带）器件的应用
为了开发高效的GaN片上电源，需要克服以下一些研究挑战：
（1）不准确的开关模型：需要开发包含静态偏置和频率相关陷波器模型的适当开关模型，以进行适当的模拟和设计工作。需要使用脉冲IV技术进行建模表征。GaN工艺中设计的主要挑战之一是器件是D模式n型。其p型器件的缺乏使得复杂逻辑电路的设计具有挑战性。因此，复杂模拟电路的设计具有挑战性；然而，可以应用已经在GaAs设计中开发的电路设计方法。
（2）电源开关的优化：评估电源设备质量的一个重要标准是终端系统应用中的热性能。众所周知，热问题严重限制了转换器的性能要求，如纹波和谐波失真。当以高开关速度和更高的输出功率水平操作时，该问题加剧。为了设计HF，需要高效高压电源开关的精确电路和热建模，因为源极-漏极金属化的适当尺寸至关重要。还必须对具有适当的热过孔以从芯片表面提取所产生的热量的布局进行建模。这种建模对于准确估计功率器件的质量至关重要，因为过多的加热会严重限制集成转换器在输出纹波、谐波失真等方面的整体性能。当在高开关速度和高输出功率水平下工作时，以及需要特殊的冷却机制来限制芯片加热时，这个问题会更加严重。
（3）混合信号电路和自定义设计流程的代码设计：GaN中混合信号电路的设计非常困难，因为大多数设计的电路都是针对RF或功率切换而定制的。由于高压开关可能引起的尖峰，电路如何相互作用存在很大的知识差距。必须将原理图设计、混合信号模拟、布局和布局提取（直流、射频、时域和EM）分析相结合，才能充分了解代码设计环境中的所有作用力。
（4）控制电路的优化：实现混合信号控制电路和高压开关的主要挑战之一是晶体管的特征尺寸和跨导温度依赖性。高压器件通常具有更大的外围，因此通过它们吸引更多的电流，而数字电路工作时漏极电流最小；因此，需要充分研究模拟电路和数字电路的适当尺寸。
（5）高压GaN与逻辑功能的集成：混合信号电路与高压电源开关的物理集成需要仔细检查。布局必须具有单独的探测点，以便在不相互干扰的情况下独立测试单独的逻辑功能。此外，芯片上热分布轮廓必须与在相同衬底和环境中运行的所有功能一起建模。
（6）测试和封装：制造的结构需要首先在晶片上进行测试，以确定模具内的产量，然后进行切割以进行封装。晶片上测试将包括所有混合信号电路和高压开关的功能测试。切好的芯片可以放置在高导热性载体基板上，并粘合在封装上，封装可以是陶瓷、金属或塑料。然后可以进行测量以优化器件，从而最大限度地减少形成芯片与外部世界接口一部分的接合线和引线的寄生效应。可以测量封装芯片组的性能，并将其与模拟结果进行比较。测试和测量设置将类似于晶圆上设置，只是芯片安装在具有良好导热性的原型PCB上，以将热量从热瓶颈中带走。
