GaN功率开关器件驱动技术的研究与发展

以Si材料为基础的传统电力电子功率器件已逐步逼近其理论极限,难以满足电力电子技术高频化和高功率密度化的发展需求。与传统的Si器件相比,氮化镓(GaN)器件展现了其在导通电阻和栅极电荷上的优势,可使功率转换器实现更小体积、更高频率及更高效率,从而在汽车、通信、工业等领域中具有广阔的应用前景。然而,缺乏高速GaN栅极驱动是目前GaN功率转换器未能大力推广的主要原因之一。详细研究了增强型GaN功率器件驱动电路设计的各种问题,如效率、损耗、延迟时间、栅极振荡、自举电压上升、抗电压变化率干扰、死区时间、反向导通损耗及寄生效应等,并综述了针对上述问题的相应解决方法及优缺点,最后讨论了GaN栅极驱动的未来发展趋势。     

针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路

近年来,氮化镓(GaN)器件凭借其开关速度快、导通电阻小等优点被广泛应用于电力电子变换器中,与此同时,谐振栅极驱动电路也受到广泛的关注,特别是在高开关频率、小功率的应用场合中,用以降低驱动电路的损耗.然而,与硅器件不同的是,GaN器件的开通阈值电压相对较低,且没有体二极管,反向导通压降较大,因此传统的谐振栅极驱动电路不适使用GaN器件.该文针对高频应用场合中寄生参数易引起驱动信号振荡的问题,结合GaN器件特点,提出一种非对称电压的谐振栅极驱动电路.此外,对于需要两个同步开关的应用场合,如开关电感变换器等,采用具有两个二次侧的变压器实现两路隔离同相驱动信号的输出.该文介绍了谐振栅极驱动电路的工作原理,并以效率最优的原则设计电路参数,设计一台开关频率为1MHz的驱动电路样机,并进行实验验证,实验结果与理论分析结果吻合较好.     

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。     

一种GaN功率器件驱动电路优化设计

针对GaN功率器件在应用的过程中可能出现误导通、电压尖峰与振铃、过电压、过电流等问题,通过简要分析GaN功率器件驱动回路、过电压、过电流故障问题出现原因,设计一种GaN功率器件独立拉灌输出、过电流分级保护栅极驱动电路.当GaN功率器件出现额定电流两倍以内的过电流现象时,可实现GaN功率器件快速关断;当GaN功率器件出现...     

基于SiON/Al2O3叠层介质的薄势垒型HEMT栅极相关可靠性研究

氮化镓(gallium nitride,GaN)材料因其优秀的物理特性受到越来越多研究者的青睐,但常关型GaN基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)技术发展尚处于初级阶段。文中的研究对象是薄势垒常关型HEMT,该类器件可以很大程度地降低栅极区域的刻蚀损伤,因此在未来的电力电子市场中极具潜力。文中工作中制备基于SiON/Al2O3叠层栅介质的薄势垒型HEMT器件,在叠层介质的帮助下,器件的阈值电压与肖特基栅极器件几乎一致,可以实现常关型操作。其最大关态击穿电压可以达到700V,栅极耐压超过23V,在超过1000s的正栅应力测试中阈值电压漂移量小于1V。通过对其关态击穿、栅极击穿、栅极应力测试等特性的分析,对其可靠性方面有更为深入的认识,同时进一步地展现出薄势垒HEMT器件的结构优势。     

基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

氮化镓功率器件以其优异的高速、高效特性而有望在电源转换领域取得广泛应用。在Buck开关电源应用中,系统采用GaN HEMT替换传统Si功率器件后,系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素。针对GaN器件的电源转换系统死区功耗展开理论及仿真讨论,详细分析Si功率器件与GaN HEMT在buck型开关电源系统中不同的工作机制以及死区时间对系统功耗的影响。优化结果表明,输入电压为12 V、输出电压为1.2 V、开关频率为700 k Hz的GaN基电源转换系统,在死区时间Td1=20 ns、Td2=0 ns、负载电流为20 A的情况下系统转换效率可达到92%。     

一种无刷直流电动机驱动及保护电路设计

以IR2130芯片作为电机驱动器件,实现了一套完整的无刷直流电动机驱动方案.由于芯片是功率MOS器件栅极驱动集成电路,因此在简化驱动电路设计的同时提高了系统的可靠性,此外还包括欠压保护、过流保护等保护功能.实践证明,此方案简单可靠且成本较低,有较高的实用价值.     

600 V耗尽型GaN功率器件栅极驱动方案设计

介绍了一种适用于600 V耗尽型氮化镓GaN(gallium nitride)器件的栅极驱动策略以及对应的驱动电路,并分析了采用耗尽型GaN功率器件的原因。驱动电路在功率管开启过程的2个阶段采用2种驱动强度的电流,在减小功率管开启过程中dv/dt的同时,保证功率管的开启速度。基于0.35μm BCD工艺对电路进行仿真验证,结果表明:在600 V输入电压的半桥驱动应用下,驱动电路在GaN功率器件阈值电压前提供700 mA驱动电流,达到阈值电压后提供190 mA稳定驱动电流,开关节点的dv/dt为150 V/ns,传输延迟加开启延迟为20 ns。     

基于高压GaN器件的双有源桥设计

高压氮化镓(GaN)与传统硅基器件相比,其禁带宽度更宽,导通电阻及寄生电容更小,因此应用在中小功率场合可有效提高变换器的功率密度和开关频率。根据高压GaN的开关特性,设计了一种能消除米勒效应的高压GaN驱动电路,继而又设计了一款开关频率达200 kHz的高压GaN双有源桥实验平台,并进行了相应的实验验证及效率、温度的分析。     

绝缘栅GaN基平面功率开关器件技术

绝缘栅氮化镓(GaN)基平面功率开关器件是下一代GaN功率电子技术的最佳选择。在此从Si基GaN金属绝缘体(氧化物)半导体(MIS/MOS)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件面临的界面态和增强型栅产业化制备等方面入手,介绍了绝缘栅GaN基器件表界面态工程,高可靠栅介质及兼容互补MOS(CMOS)工艺的大尺寸Si基GaN器件制造等技术的研究进展,为绝缘栅GaN基平面功率开关器件的产业化应用奠定基础。     

半导体GaN功率开关器件的结构改进

针对现有的光伏逆变器半导体GaN（氮化镓,Gallium nitride）功率开关器件以难以适应现代电力电子系统高要求的问题,提出一种光伏逆变器半导体GaN功率开关器件结构改进方法。由于集电极-发射极击穿电压和饱和压降是衡量器件可靠性的重要指标,因此采用绝缘栅混合阳极二极管取代平面肖特基势垒二极管,解决集电极-发射集击穿电压和饱和压降输出不合理问题。改进后的器件阳极由肖特基栅极和欧姆阳极金属短接组成,阴极为欧姆金属;改进器件制作主要采用隔离、钝化、凹槽刻蚀、介质淀积等工艺,更好地实现功率开关和功率转换功能。经测试分析可知：改进后的功率开关器件能有效减少反向饱和漏电状况,且改进器件的温度与电压、比导通电阻成正比,高温下性能良好。     

垂直结构氮化镓功率晶体管的材料与工艺问题

硅功率器件已接近其理论物理性能的极限。基于宽禁带半导体材料的电力电子系统能够实现更高的功率密度和电能转换效率,而具有高临界电场和载流子迁移率的氮化镓被认为是未来高功率、高频和高温应用的最有希望的候选者之一,而由品质因子给出的氮化镓基功率器件的综合性能具有大于1 000倍于硅器件的理论极限。目前已产业化的氮化镓功率晶体管主要基于水平结构,但垂直结构更有利于实现更高电压和更大电流。随着氮化镓衬底材料的逐渐成熟,近期垂直结构氮化镓功率器件成为了学术界和产业界的研究热点,并被认为是下一代650～3 300 V电力电子应用的候选器件。基于此,回顾了垂直结构氮化镓晶体管的最新进展,特别是与器件相关的材料和工艺问题,并总结了开发高性能垂直结构氮化镓功率晶体管的主要挑战。     

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。     

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。     

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。     

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。     

3 300 V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料性能,表现出巨大的应用前景,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)是最重要的器件。3 300 V SiC MOSFET可应用于轨道交通和智能电网等大功率领域,能显著提高效率,降低装置体积。在这些应用领域中,对功率器件的可靠性要求很高,为此,针对自主研制的3 300 V SiC MOSFET开展栅氧可靠性研究。首先,按照常规的评估技术对其进行了高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验;其次,针对高压SiC MOSFET的特点进行了漏源反偏时栅氧电热应力的研究。试验结果表明,在高压SiC MOSFET中,漏源反偏时栅氧的电热应力较大,在设计及使用时应尤为注意。     

高压多芯片并联 IGBT 模块故障监测方法

绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 作为电力电子装置的关键核心器件,其高可靠性是系统长久稳定运行的重要保障,对 IGBT 模块进行故障监测是提高系统可靠性的有效方式之一。 提出一种新的健康敏感参数-栅极-发射极导通前电压 VGE(pre-on) , 用于监测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 首先,对现有故障监测方法进行比较,然后建立导通前电压可靠性 模型,再通过监测导通瞬态期间的 VGE(pre-on)来检测高压多芯片并联 IGBT 模块中的 IGBT 芯片故障。 为验证该方法的可行性,对 16 芯片 DIM800NSM33-F IGBT 模块进行了仿真,结果显示,在不同外部条件下,每个并联 IGBT 芯片故障所产生的导通前电压 VGE(pre-on)的平均偏移约为 900 mV,且具有较高的灵敏度和抗干扰能力,可有效监测 IGBT 模块芯片故障。     

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。