Силовая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии | Технологии безопасности жизнедеятельности. 2023. № 1. DOI: 10.17223/7783494/1/12

ГлавнаяАрхивСиловая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии | Технологии безопасности жизнедеятельности. 2023. № 1. DOI: 10.17223/7783494/1/12

Силовая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии

Показано, что переход от силовой Si-электроники к силовой GaN-электронике является действенным методом, обеспечивающим рост энергоэффективности преобразователей электрической энергии. Проведен сравнительный анализ эффективности оборудования силовой электроники на основе Si и GaN, а также показаны текущее состояние и тренды развития дискретных силовых транзисторов и силовых интегральных схем (ИС) на основе GaN. Показано, что переход к GaN ИС является одним из базовых трендов развития силовой микроэлектроники. Представлены результаты разработки силовых GaN-интегральных схем на основе гетероструктур GaN/SOI с напряжением 650 и 200 В. Авторы выражают благодарность Центру коллективного проектирования ЭКБ и РЭА НИ МИЭТ за предоставление доступа к лицензионному САПР и вычислительной инфраструктуре. Авторы также выражают благодарность Миллеру Андрею Ивановичу за консультации и поддержку. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ключевые слова

энергоэффективность, силовая gan-электроника, монолитная интеграция, GaN/SOI, полумост

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Бартенев Александр ИвановичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиаспирантsan4ubas1@gmail.com
Кагадей Валерий АлексеевичТомский государственный университетдоктор физико-математических наук, профессор, старший научный сотрудник НОЦ «Инжиниринговый центр СВЧ-техники и технологии»vak@mail.tsu.ru
Коряковцев Артём СергеевичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиаспирант, младший научный сотрудник НИИ микроэлектронных системartem.s.koriakovtsev@tusur.ru
Полынцев Егор СергеевичТомский государственный университетаспирант, лаборант НОЦ «Инжиниринговый центр СВЧ техники и технологии»e.polyntsev@gmail.com
Помазанов Алексей ВладимировичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиаспирант, младший научный сотрудник НИИ «Микроэлектронных систем»aleksei.v.pomazanov@tusur.ru
Проказина Ирина ЮрьевнаТомский государственный университетаспирант, лаборант НОЦ «Инжиниринговый центр СВЧ техники и технологии»irina_tusur@mail.ru
Шеерман Фёдор ИвановичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникикандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории СВЧ-микроэлектроники НИИ микроэлектронных системfish@tusur.ru
Всего: 7

Ссылки

Newell R., Raimi D., Aldana G. Global energy outlook 2019: the next generation of energy // Resources for the Future. 2019. V. 1. P. 8-19.
Gielen D., Gorini R., Wagner N., Leme R., Gutierrez L., Prakash G. et. al. Global energy transformation: a roadmap to 2050. 2019.
Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" от 23.11.2009 № 261-ФЗ // Собрание законодательства Российской Федерации.
Roccaforte F., Fiorenza P., Greco G., Nigro R.L., Giannazzo F., Patti A. et. al. Challenges for energy efficient wide band gap semiconductor power devices // Physica status solidi. 2014. V. 211(9). P. 2063-2071.
Flack T.J., Pushpakaran B.N., Bayne S.B. GaN technology for power electronic applications: a review // Journal of Electronic Materials. 2016. V. 45 (6). P. 2673-2682.
Reusch D., Strydom J., Glaser J. Improving high frequency DC-DC converter performance with monolithic half bridge GaN ICs // 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2015. P. 381-387.
Wu Y.F., Gritters J., Shen L., Smith R.P., Swenson B. kV-Class GaN-on-Si HEMTs Enabling 99% Efficiency Converter at 800 V and 100 kHz // IEEE Transactions on Power Electronics. 2013. V. 29(6). P. 2634-2637.
Baliga B.J. Power semiconductor device figure of merit for high-frequency applications // IEEE Electron Device Letters. 1989. V. 10 (10). P. 455-457.
Bi W., Kuo H.C., Ku P.C., Shen B. Handbook of GaN semiconductor materials and devices. CRC Press, 2017. 709 р.
GaNPower Demonstrates Industry's First 1200 V Single-Die E-Mode GaN Power Devices // GaNPower International. URL: https://iganpower.com/ganpower-demonstrates-industrys-first-1200-v-single-die-e-mode-gan-power-devices (дата обращения: 14.11.2022).
GS-065-150-1-D2 650V Enhancement Mode GaN Transistor // GaN Systems. URL: https://gansystems.com/gan-transistors/gs-065-150-1-d2/(дата обращения: 14.11.2022).
Wide bandgap devices & modules for efficient power electronics // Ferdinand-Braun-Institut. URL: https://www.fbh-berlin.de/fileadmin/downloads/frequent_2020_online_PowerElectronics.pdf (дата обращения: 14.11.2022).
Hilt O., Bahat Treidel E., Wolf M., Kuring C., Tetzner K., Yazdani H. et. al. Lateral and vertical power transistors in GaN and Ga2O3 // IET Power Electronics. 2019. V. 12(15). P. 3919-3927.
Soleimanzadeh R., Naamoun M., Khadar R.A., Erp R., Matioli E. H-terminated polycrystalline diamond p-channel transistors on GaN-on-silicon // IEEE Electron Device Letters. 2020. V. 41(1). P. 119-122.
Zheng Z., Zhang L., Song W., Chen T., Feng S., Hon Ng Y. et. al. Threshold voltage instability of enhancement-mode GaN buried p-channel MOSFETs // IEEE Electron Device Letters. 2021. V. 42(11). P. 1584-1587.
Chowdhury N. p-Channel gallium nitride transistor on Si substrate. Massachusetts Institute of Technology, 2018.
Chen H.Y., Kao Y.Y., Zhang Z.Q., Liao C.H., Yang H.Y., Hsu M.S. et. al. A fully integrated GaN-on-silicon gate driver and GaN switch with temperature-compensated fast turn-on technique for improving reliability // 2021 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). 2021. V. 64. P. 460-462.
Tang G., Kwan M.H., Zhang Z., He J., Lei J., Su R.Y. et. al. High-speed, high-reliability GaN power device with integrated gate driver // 2018 IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD). 2018. P. 76-79.
MASTERGAN1 Datasheet, Rev.3, STMicroelectronics N.V., Plan-les-Ouates. Geneva, Switzerland, 2020. 27 p.
Li X. Reliability and Integration of GaN Power Devices and Circuits on GaN-on-SOI. Ku Leuven, 2020.
EPC2152 80 V, 15 A ePower™ Stage Preliminary Datasheet, Rev. 2.0, Efficient Power Conversion Corporation. El Segundo, CA, USA, 2021. 16 p.
LMG5200 80-V, 10-A GaN Half-Bridge Power Stage 07.09.2022. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmg5200.pdf.
MDC901 High Performance, 200 V Gate Driver IC // ASIC Products Mindcet URL: https://www.mindcet.com/asic-products (дата обращения: 14.11.2022).
Полынцев Е.С., Проказина И.Ю., Бартенев А.И. Одноканальный GaN затворный драйвер управления силовым нормально закрытым n-GaN-транзистором // Девятнадцатая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов: г. Томск, 4-7 мая 2022 г. STT Publishing, 2022. С. 75.
IRFB4020PBF, Digital Audio MOSFET 03.03.06 URL: https://www.infmeon.com/dgdl/irfb4020pbf.pdf?fileId=5546d4 62533600a4015356158ffd1e05.
Силовая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии | Технологии безопасности жизнедеятельности. 2023. № 1. DOI: 10.17223/7783494/1/12

Силовая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии | Технологии безопасности жизнедеятельности. 2023. № 1. DOI: 10.17223/7783494/1/12