氮化镓功率器件(GaN）应用培训.pdf

氮化镓（GaN）是一种新型的宽禁带半导体材料，它拥有比传统硅(Si)材料更高的电子迁移率和更低的导通电阻。这种材料被广泛应用于生产高效率、高功率密度的功率器件，即GaN功率器件。GaN功率器件的特性使其在开关电源、逆变器、无线充电、电动汽车充电系统等高频、高效率的电力电子设备中得到广泛应用。 MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是另一种广泛应用的功率器件。MOSFET具有低导通电阻、快速开关速度和简单的驱动要求等特点。它主要应用于中等电压和中等功率场合。由于MOSFET采用的是垂直导电结构，可以实现较好的电流承载能力。 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是电力电子领域中应用极为广泛的功率器件，它结合了MOSFET和双极型晶体管（BJT）的优点，具备高输入阻抗和低饱和压降的特点。IGBT在高压、大电流的应用领域表现出色，因此广泛应用于变频器、交流伺服驱动器、电动汽车驱动以及大功率电源系统中。 SCR（可控硅）是一种电流控制型器件，通过门极信号控制开关状态。SCR具有较高的功率处理能力，但通常用于交流调功和调速，如灯光调光、电机速度控制等领域。 在功率器件的应用中，电力电子开关系统的基本形式包括DC/DC变换器、AC/DC整流器、DC/AC逆变器和AC/AC变频器等，它们负责控制和转换电压、电流的大小和方向。 电路拓扑结构是电力电子设备设计中的核心，常见的有BUCK（降压）电路和BOOST（升压）电路。BUCK电路在电源管理中降低电压，而BOOST电路则用于提升电压。此外，还有半桥电路、全桥电路（H桥、单相桥）、三相桥电路以及三电平三相桥电路，这些拓扑结构各有其应用场景和特点。 功率器件的开关频率是影响设备性能的一个重要参数，高频开关的器件可以减少无功功率和提高能源效率。例如，GaN器件因其固有的快速开关特性，在高频应用中可以实现更高的效率。 市场规模的大小反映了功率器件行业的成熟度和市场吸引力。2012年全球功率器件总销售额达到150亿美元，其中IGBT的市场占有率高，许多厂家如英飞凌、赛米控、三菱电机和富士电机等都以其在金属压接等先进封装工艺方面和IPM以及高压、大功率IGBT方面的优势而闻名。MOSFET市场也极为广泛，2012年全球MOSFET销售额达到58亿美元，其中英飞凌、东芝、AOSST、仙童IR等公司均在其领域有显著的市场占有率。 氮化镓功率器件作为新一代功率器件，已经引起了业界的广泛关注。为了更好地应用GaN器件，我们必须深入理解这些功率器件的基本工作原理、各种电路拓扑结构，以及功率器件在现代电力电子系统中的应用。随着技术的进步和市场需求的增长，氮化镓功率器件无疑将成为未来电子设备小型化和能效提升的重要推动力量。