《Energies》：GaN HEMTs for Electric Vehicle Power Electronics: Device Architectures, Reliability and Next-Generation Wide Bandgap Opportunities
Husna Hamza,
Julie Roslita Rusli and
Anwar Jarndal
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这篇综述深入探讨了氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）作为下一代宽带隙（WBG）功率器件的核心，如何推动电动汽车（EV）电力电子系统的革新。文章系统评估了GaN HEMT的先进器件架构、性能优势及面临的可靠性挑战（如电流崩塌、自热、栅极退化），并展望了超宽带隙半导体等未来技术机遇，为高频率、高效率的EV功率转换（如车载充电器OBC、DC-DC转换器、牵引逆变器）的设计与优化提供了全面的器件级见解。
电动汽车电力电子器件的演进
全球向电动交通的转型正重塑汽车产业格局，电动汽车（EV）日益成为可持续交通的基石。在这一转变中，电力电子系统的性能、成本和可靠性起着决定性作用，它们直接影响充电时间、续航里程、能源效率和系统紧凑性等关键指标。以硅（Si）为基础的传统绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）虽然曾是汽车电力电子的主力，但其固有的材料限制（如窄带隙、相对较低的临界电场和适中的热导率）制约了开关频率、效率和可扩展性的进一步提升。
宽带隙（WBG）半导体已成为颠覆性的替代方案。其中，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其卓越的材料特性而备受瞩目。GaN具有宽带隙（3.4 eV）、高临界电场、优异的电子迁移率和强极化效应，能够实现高击穿电压、快速开关速度和低导通损耗的器件。这些特性使GaN HEMT能够在更高的开关频率下高效运行，从而减小电感、电容等笨重无源元件的尺寸，这对于受重量、空间和热约束限制的EV应用至关重要。
然而，挑战依然存在，包括在严苛汽车条件下的器件可靠性、用于热管理的封装优化，以及与碳化硅（SiC）器件相比的成本竞争力。特别是在高功率密度EV平台中，紧凑的逆变器和车载充电器设计需要高开关频率和紧密的热集成，GaN HEMT的优势直接转化为无源元件体积的减小和系统效率的提升。但这些优势同时也放大了与栅极驱动灵敏度、电磁干扰和动态可靠性相关的挑战。
电力电子在电动汽车中的系统级挑战
电动汽车依赖先进的电力电子设备来管理电池、电机和辅助系统之间的能量。WBG器件虽然带来了高效率、快速开关和高功率密度等优势，但要实现这些优势，也引入了系统级的挑战，包括热管理、效率与开关频率的权衡、电磁干扰（EMI）抑制、可靠性、紧凑封装和成本。
热管理是追求紧凑、高功率密度功率模块的核心压力。随着功率转换器和逆变器尺寸缩小、功率增加，单位面积的热通量上升，这使得传统的衬底和冷却方法难以将结温和壳温维持在安全限度内。WBG器件通过实现更高的热导率和耐受更高的结温来部分缓解冷却负担，但在高功率或高占空比条件下，散热仍然是主要瓶颈。
追求高开关频率以减小无源元件尺寸，也会带来损耗与热应力的权衡。更高的dv/dt和di/dt会导致开关损耗增加和热应力升高，可能削弱效率增益并加剧热管理挑战。此外，在EV典型的动态负载条件（加速、再生制动、部分负载、怠速）下保持高效率也非易事。
GaN HEMT在EV高频功率转换器中的一个主要缺点是其对电磁干扰引起的误开通的敏感性。开关事件期间极高的dv/dt和di/dt会通过栅漏电容产生强烈的米勒耦合，可能无意中将栅极电压抬升至阈值以上。缓解电磁干扰和寄生效应因此成为关键的系统级挑战，需要仔细的PCB布局设计、先进的封装技术、屏蔽策略和EMI滤波器。
可靠性是WBG器件在EV中应用的核心障碍，因为汽车环境会施加多种同时存在且比典型工业应用更严苛的应力。EV功率转换器经常因加速、再生制动和充电循环而经受频繁的功率循环，导致热循环。此外，WBG器件特有的电应力机制，如GaN HEMT中的动态电荷俘获、阈值电压不稳定性和栅极泄漏，会进一步使可靠性复杂化。因此，针对WBG的严格资格认证程序，包括功率循环、热循环、高温工作寿命、高湿度反向偏置测试和栅氧化层应力测试，对于确保在汽车条件下的长期性能至关重要。
用于电力电子的GaN HEMT结构
GaN HEMT已通过多样化的结构创新，以满足现代电力电子，特别是电动汽车和高效率功率转换的严格要求。根据对常关操作、高击穿电压、热鲁棒性和最小化电流崩塌等应用需求，开发了不同的器件架构。
常开型GaN HEMT（耗尽模式）
传统的AlGaN/GaN HEMT由于AlGaN/GaN异质结处强烈的自发和压电极化效应，工作在耗尽模式（常开）。薄的AlGaN势垒层在界面处诱导出高密度的二维电子气（2DEG），形成一个具有超高载流子密度和电子迁移率的导电沟道，从而实现超低的导通电阻和优异的高频性能。然而，其固有的常开特性对EV中的功率开关构成了根本性挑战。由于器件在零栅压时导通，需要负栅压才能关断。这种“故障不安全”状态意味着如果栅极驱动器失效，晶体管将保持开启，导致不受控的电流导通，这在需要隔离和快速故障响应的EV功率转换器和牵引逆变器中是严重的安全隐患。因此，尽管耗尽型GaN HEMT在历史上对射频和早期功率器件原型很重要，但它们被认为不适合EV电力电子。现代EV系统需要常关（增强型）GaN解决方案。
增强型（E-Mode，常关）GaN HEMT
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p-GaN栅HEMT
p-GaN栅HEMT在栅接触下方直接引入一层薄的p型GaN帽层，将固有的耗尽型AlGaN/GaN HEMT转换为增强型器件。p-GaN帽层建立了一个内置耗尽区，抵消了栅极下方的极化诱导2DEG，因此在零栅压下，栅极下方的沟道被耗尽，器件保持关断。施加正栅压会使p-GaN/金属结正向偏置并恢复导通，产生实际的正阈值电压。这种方法保留了栅区外部的横向2DEG导电路径，因此p-GaN器件在提供功率转换器所需的故障安全常关行为的同时，保持了GaN的低导通电阻和高频优势。在实践中，p-GaN HEMT已成为多家供应商提供的GaN功率开关的行业标准，并符合许多汽车/工业功率应用资格。然而，p-GaN也引入了自身的材料和可靠性挑战，如阈值电压不稳定性、有限的栅极驱动窗口以及在高压或脉冲应力下的动态阈值电压漂移。最近的器件工程因此专注于通过优化p-GaN层中的Mg掺杂和补偿、在栅极处插入薄的氧化层或介电中间层以缓解电场峰值、采用混合p-GaN/MIS栅堆栈来抑制漏极诱导的阈值不稳定性，以及选择性再生长或帽层工程来降低陷阱密度，从而提高阈值电压和扩展栅极驱动鲁棒性。
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栅凹槽HEMT
栅凹槽HEMT是一种增强型GaN器件，其中AlGaN势垒层的一部分在栅区下方被局部刻蚀（凹槽），从而在零栅压下减少或移除极化诱导的二维电子气。通过调整AlGaN的凹槽深度和均匀性，可以将阈值电压调整到正值，使器件实现常关。这种方法的优点是在概念和制造上相对简单，并且通过改变凹槽深度或刻蚀轮廓可以很好地控制阈值电压。然而，这种简单性也伴随着显著的制造挑战。精确控制凹槽深度和轮廓以实现均匀的阈值电压和低导通电阻至关重要。刻蚀过程容易损伤下方的GaN沟道，引入表面态，加剧电流崩塌和动态导通电阻退化。此外，凹槽区域的尖锐角可能导致电场集中，限制击穿电压。为了缓解这些问题，通常将栅凹槽与金属-绝缘体-半导体（MIS）或金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管结构相结合。
