宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用

硅基电力电子器件经过长期的发展,其性能已经逼近其材料极限,很难再大幅提升硅基电力电子装置的性能。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能,成为电力电子器件新的研究发展方向。首先主要介绍了电动汽车对电力电子变换器的要求及宽禁带器件的发展,然后对宽禁带器件在电动汽车中的研究现状进行了分析和展望,最后指出了宽禁带器件在电动汽车应用中面临的主要问题。     

GaN基电力电子器件关键技术的进展

氮化镓GaN(gallium nitride)材料非常适合应用于高频、高功率、高压的电子电力器件当中。目前,GaN功率电子器件技术方案主要分为Si衬底上横向结构器件和Ga N自支撑衬底上垂直结构器件2种。其中,横向结构器件由于制造成本低且有良好的互补金属-氧化物-半导体CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)工艺兼容性已逐步实现产业化,但是存在材料缺陷多、常关型难实现、高耐压困难以及电流崩塌效应等问题;垂直结构器件能够在不增大芯片尺寸的条件下实现高击穿电压,具有非常广阔的市场前景,也面临着材料生长、器件结构设计和可靠性等方面的挑战。基于此,主要针对这两种器件综述介绍并进行了展望。     

宽禁带器件应用技术专辑主编评述

近20年来,以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体功率器件具有电气性能和热性能等方面的优势,正在成为硅器件的强力替代品。业界成功研制出SiC MOSFET、GaN HEMT等先进器件,已在能源汽车、轨道交通、能源互联等行业展示出高开关能力和高温能力。基于功率器件设计、封装、实验方法、栅极驱动等方面的最新研究进展,《电源学报》特别推出"宽禁带器件应用技术"专辑,以期推进宽禁带器件前沿技术与应用难点和热点问题的探讨。     

基于桥式电路的氮化镓开关损耗测试

与传统硅基器件相比,氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件具有更快的开关速度,更小的开关损耗并且无反向恢复损耗,这使得氮化镓器件在高频和高功率密度应用场合具有突出优势。高频工况下高精度测试方法是目前研究的热点,其中双脉冲测试DPT(double pulse test)电路是器件动态性能测量的常用方法。然而,该方法必须采用漏极电流探头进行采样,而同轴分流器电流探头极大地增加了回路寄生电感,这与氮化镓实际工况差距非常大,将影响开关特性和损耗测试的准确性。提出了一种适用于桥式氮化镓电路的新颖测试方法,该方法无需采用无感电阻即可测量氮化镓器件的开关损耗。搭建了基于氮化镓的降压变换器进行实验,验证了该方法的有效性。     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

正专辑特邀主编:南京航空航天大学谢少军教授基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GaN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。近年来,国内外宽禁带功率半导体器件及其应用方面发展迅     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

正专辑特邀主编:南京航空航天大学谢少军教授基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GaN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。     

基于GaN器件的高速直流无刷电机驱动器

传统直流无刷电机(BLDCM)驱动器以硅晶体管作为功率器件,工作频率低、开关损耗大,不适用于高速应用场合。宽禁带半导体氮化镓(GaN)晶体管,具有开关速度快、导通电阻小等优势,是高速驱动器的理想选择之一。基于GaN器件,设计了一款20 000 r/min转速的高速BLDCM驱动器。首先介绍了BLDCM驱动的工作原理,然后分析了GaN器件晶体管栅极驱动电阻值的计算过程,选取Si8273作为GaN晶体管GS61008P的驱动芯片,利用霍尔信号配合数字控制器软件得到换相脉冲,以完成高速驱动器的软硬件设计。验结果表明,GaN方案显著减小了驱动器体积,提高了响应速度。     

宽禁带半导体电力电子器件研发新进展

理论和十余年的研发实践都已证明,碳化硅、氮化镓和金刚石等宽禁带半导体比硅更适合用来制造电力电子器件.随着材料与器件工艺以及封装技术的逐渐完善,这些器件超乎寻常的高阻断电压、低通态比电阻和比热阻、低开关损耗、以及耐高温抗辐照等特点逐渐彰显十世,其开拓性的试用更在现代电力电子技术领域产生了不小的震撼,使新型电力电子装置的开发有了更高的节能和环保目标.     

“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑征文启事

<正>专辑特邀主编:南京航空航天大学谢少军教授基于宽禁带半导体材料的功率电子器件推动了高效率、高工作温度及高功率密度变换器的发展。相较于传统的硅器件,碳化硅(SiC)器件在很多方面都已体现出了优越的性能,硅基氮化镓(GaN)器件也正逐步成为低成本高性能功率技术解决方案。然而,高频宽禁带功率器件的应用也带来了可靠性及电磁干扰等方面的问题,同时,器件成本也是目前应用中需要考虑的一个问题。近年来,国内外宽禁带功率半导体器件及其应用方面发展迅     

基于氮化镓功率器件的过流保护电路研究

提出了一种适用于高频场合下氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件的过流保护电路。该保护电路在高达几百千赫甚至兆赫的开关频率下,通过检测氮化镓功率器件的漏-源电压实现对过流故障的识别,在故障下可迅速关断GaN器件进行保护。仿真和实验结果证明,该过流保护电路具有响应迅速、结构简单和抗干扰性强的优点,可有效提高氮化镓器件应用的可靠性。     

Vertical Gallium Nitride Power Devices:Current Status and Prospects

A comprehensive review on the current status and prospects of vertical gallium nitride(GaN) power devices is presented.The paper starts with an introduction of the market potential for GaN power devices, and presents a comparison between lateral and vertical GaN power devices.Then, different high-performance vertical GaN power devices are introduced, including diodes and transistors on free-standing GaN substrates and low-cost Si substrates.The paper is concluded by elucidating the research and commercialization prospects in developing several key components of vertical GaN power devices.This relatively new area has only been explored for 3-5 years, but already seen the demonstration of a series of successful vertical power devices that outperformed lateral GaN power devices and conventional Si power devices.There are tremendous research opportunities regarding materials, physics, devices and system-level integrations of vertical GaN power devices.The vertical GaN power devices show great potential for 600 V level high-current,high-voltage and high-power applications.     

六英寸Si基GaN功率电子材料及器件的制备与研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表,具有优异的材料物理特性,更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程,以及考虑到大尺寸、低成本等优势,在Si衬底上进行GaN材料的异质外延及器件制备已经成为业界主要技术路线。详细介绍了在6英寸Si衬底上外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构功率电子材料,以及基于6英寸CMOS产线制造Si基GaN功率MIS-HEMT和常关型Cascode GaN器件的相关成果。     

第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战

氮化镓(GaN)材料具有优异的物理特性,非常适合于制作高温、高速和大功率电子器件,具有十分广阔的市场前景。Si衬底上GaN基功率开关器件是目前的主流技术路线,其中结型栅结构(p型栅)和共源共栅级联结构(Cascode)的常关型器件已经逐步实现产业化,并在通用电源及光伏逆变等领域得到应用。但是鉴于以上两种器件结构存在的缺点,业界更加期待能更充分发挥GaN性能的"真"常关MOSFET器件。而GaN MOSFET器件的全面实用化,仍然面临着在材料外延方面和器件稳定性方面的挑战。     

基于GaN器件的固态射频电源应用研究

随着电力电子技术的发展,射频电源由电子管电源发展成现在的晶体管射频电源。氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速度以及高导通的AlGaN/GaN异质结二维电子气2DEG(two-dimensional electrons gas)等优点。GaN功率器件与硅(Si)功率器件相比,具有导通阻抗低,输入、输出电容小等特性,这些特性使得GaN功率器件高开关速度、低损耗。在E类功率射频电源的基础上,采用GaN功率器件设计制作了一款开关频率为4 MHz、功率可调的全固态射频电源实验样机。通过电路的设计和优化,样机的输出功率为21.4 W时,效率达到了96.7%;同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,实验数据验证了GaN器件开关速度快、损耗低,可大幅度提高射频电源的效率。     

基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器的设计与仿真

介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC变换器作为高功率转换系统的主要电路.DC/DC变换器使用基于氮化镓(GaN)的功率开关器件.对10 kW GaN大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行了优化、参数化和分析,并通过仿真和实验验证了其有效性.它由使用新型的GaN晶体管组成的两个单相全桥电路、两个输入/输出电感和一个高频...     

AlGaN/GaN异质结肖特基二极管研究进展

氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代半导体材料的代表之一,具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。GaN基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点,可以应用在新型高效、大功率的电力电子系统。总结了AlGaN/GaN异质结肖特基二极管SBD(Schottky barrier diode)目前面临的问题以及目前AlGaN/GaN异质结SBD结构、工作原理及结构优化的研究进展。重点从AlGaN/GaN异质结SBD的肖特基新结构和边缘终端结构等角度,介绍了各种优化SBD性能的方法。最后,对器件的未来发展进行了展望。     

GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件因其出色的导通与开关特性,能够实现系统高频化与小型化,有效提升系统功率密度。但是,增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题,使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此,提出一种预驱动芯片,通过片内集成LDO与电平移位结构,实现兼容12～15 V输入,并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制,达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外,通过多芯片合封技术,将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成,降低了寄生电感,使其应用可靠性进一步提升。     

Wide bandgap semiconductor transistors for microwave poweramplifiers

Explores the RF power performance of microwave amplifiers fabricated from wide bandgap semiconductor transistors and demonstrates that microwave power amplifiers fabricated from 4H-SiC and AlGaN/GaN transistors offer superior RF power performance, particularly at elevated temperatures. Theoretical models predict room temperature RF output power on the order of 4-6 W/mm and 10-12 W/mm, with power-added efficiency (PAE) approaching the ideal values for class A and B operation, available from 4H-SiC MESFETs and AlGaN/GaN HFETs, respectively. All calculations were thoroughly calibrated against dc and RF experimental data. The simulations indicate operation at elevated temperature at least up to 5000°C is possible. The RF output power capability of these devices compares very favorably with the 1 W/mm available from GaAs MESFETs. The wide bandgap semiconductor devices will find application in power amplifiers for base station transmitters for wireless telephone systems, HDTV transmitters, power modules for phased-array radars, and other applications. The devices are particularly attractive for applications that require operation at elevated temperature     

半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术

测试半导体GaN功率开关器件灵敏度对掌握器件性能具有重要意义,提出一种新的半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。通过分析半导体GaN功率开关器件的导通电阻与击穿电压关系、空穴电流与栅极电流关系掌握功率开关器件击穿机理,在此基础上,测试半导体GaN功率开关器件灵敏度;根据灵敏度测试原理与微频通道衰减值周期检查原理,测量功率开关器件微频信号功率和微频通道衰减值,汇总微频通道衰减值和最后一次开关灵敏时的衰减值,得到半导体GaN功率开关器件灵敏度。实验结果表明：所提测试技术测量半导体GaN功率开关器件灵敏度过程中,平均测试误差为0.03 dB,仅平均花费9.42ms,是一种高效、可靠的半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。