碳化硅门极可关断晶闸管的研究进展北大核心CSCD

由于SiC材料的理想特性使SiC门极可关断晶闸管(GTO)的发展受到广泛关注。SiC GTO是一种用于控制大电流的高功率开关器件,具有开关速度高、功耗低以及控制电路的复杂程度低等优点,在高压、高温开关电路应用中有着独特的优势。阐述了近十几年来SiC GTO的研究进展,在介绍SiC GTO的等效模型和工作原理的基础上,重点介绍了SiC GTO在阻断电压、传导电流、正向压降和载流子寿命调控等方面的研究现状,详细讨论了提高SiC GTO阻断性能的5种不同的结终端技术和实现载流子寿命调控的具体方法,给出了典型SiC GTO器件的传导电流和正向压降,并对影响CTO性能的主要因素进行了分析。同时,对SiC GTO的未来发展趋势进行了展望。     

SiC新一代电力电子器件的进展

以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料的突破给发展新一代电力电子带来希望。SiC材料具有比Si材料更高的击穿场强、更高的载流子饱和速度和更高的热导率,使SiC电力电子器件比Si的同类器件具有关断电压高、导通电阻小、开关频率高、效率高和高温性能好的特点。SiC电力电子器件将成为兆瓦电子学和绿色能源发展的重要基础之一。综述了SiC新一代电力电子器件的发展历程、现状、关键技术突破和应用研究。所评估的器件包含SiC SBD、SiC pin二极管、SiC JBS二极管、SiC MOFET、SiC IGBT、SiC GTO晶闸管、SiC JFET和SiC BJT。器件的评估重点是外延材料的结构、器件结构优化、器件性能、可靠性和应用特点。最后总结了新世纪以来SiC新一代电力电子器件的技术进步的亮点并展望了其技术未来发展的趋势。     

电力电子装置在电力系统中的应用探析

电力电子装置是电力系统走向智能化的一项重要设备。为了实现电网运行的可靠性,关键需要提高高压交流输电系统的输电能力。电力电子装置运用直流输电技术,改善了电力系统的可控性能。为了进一步提高电力电子装置的安全性和经济型,本文对电力电子装置在电力系统的发电、存储、输电等方面所发挥的作用进行详细的研究。     

SiC电力电子器件研究现状及新进展

由于硅材料本身的限制,传统硅电力电子器件性能已经接近其极限,碳化硅(SiC)器件的高功率、高效率、耐高温、抗辐照等优势逐渐突显,成为电力电子器件一个新的发展方向.综述了SiC材料、SiC电力电子器件、SiC模块及关键工艺的研究现状,重点从材料、器件结构、制备工艺等方面阐述了SiC二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)及模块的研究进展.概述了SiC材料、SiC电力电子器件及模块的商品化情况,最后对SiC材料及器件的发展趋势进行了展望.     

SiC电力电子技术综述

与硅相比,4H-SiC材料具有高功率、耐高温、高频、高集成度、高效率、高抗辐射等优势,是制作电力电子器件的理想材料,近十年以来SiC电力电子器件性能不断提高.回顾了SiC电力电子器件的发展,总结了材料、工艺和器件所面对的技术问题.笔者认为SiC JBS二极管和MOSFET将成为SiC的主流器件,将在今后十年内获得长足的...     

SiC和GaN电力电子器件的研究进展

与传统的Si基器件相比,SiC和GaN器件具有工作温度高、击穿电压高、开关速度快等优势,因此SiC和GaN材料是制备电力电子器件的理想材料。总结了近年来SiC和GaN电力电子器件的研究进展,包括二极管,MOSFET,JFET和BJT结构的SiC器件,以及SBD,PN结二极管,HEMT和MOSFET结构的GaN器件。     

基于国产单晶衬底的150 mm 4H-SiC同质外延技术进展

高阻断电压、大功率密度、高转化效率是电力电子器件技术持续追求的目标,基于4H-SiC优异的材料特性,在电力电子器件应用方面具有广阔的发展前景。围绕SiC MOSFET器件对外延材料的需求,介绍了国内外主流的SiC外延设备及国产SiC衬底的发展,并重点介绍了宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室在国产150 mm(6英寸)SiC衬底上的高速外延技术进展。通过关键技术攻关,实现了150 mm SiC外延材料表面缺陷密度≤0.5 cm^-2,BPD缺陷密度≤0.1 cm^-2,片内掺杂浓度不均匀性≤5%,片内厚度不均匀性≤1%。基于自主外延材料,实现了650～1 200 V SiC MOSFET产品商业化以及6.5～15 kV高压SiC MOSFET器件的产品定型。     

SiC外延衬底研究现状及其应用前景

随着国民经济发展"节能减排"任务的加剧,以及新兴电子系统变化的要求,电子系统对半导体元器件技术提出了高密度、高速度、低功耗、大功率、宽工作温度范围、抗辐射和高可靠等性能的要求。SiC单晶材料作为新兴的三代半导体衬底材料正好满足这些要求,被认为是制备微波器件、高频大功率器件、高压电力电子器件的优良衬底材料。分别介绍了传统Si-C-H体系和高速Si-C-H-Cl体系SiC外延工艺研究现状,同时介绍了新颖的高纯半绝缘SiC外延工艺研究状况。论述了SiC外延衬底在电力电子器件、微波器件等方面的应用,阐述了SiC外延衬底在未来节能减排、经济建设中的重要性。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

SiC新一代电力电子学的创新发展

进入21世纪,宽禁带半导体材料的发展对电力电子学产生了革命性的影响,SiC新一代电力电子学应运而生.从高频高效率开关应用、高功率密度、高压变换、高温工作、热管理和可靠性研究等方面介绍了近几年SiC电力电子学的应用创新.应用创新的内容包含:电路拓扑结构设计、优化设计方法、SiC功率器件和先进高频无源元件的采用、寄生参量的抑制、驱动电路设计、高温粘结与封装工艺、新冷却方法和极端工作条件的可靠性试验方法等.对SiC电力电子学的应用创新进行了综合评价.     

碳化硅电力电子器件及其制造工艺新进展

评述了各种碳化硅电力电子器件研究开发的最新进展及其发展前景,指出碳化硅的优势不仅仅限于能提高功率开关器件的电压承受能力、高温承受能力和兼顾频率与功率的能力,还在于能大幅度降低器件的功率损耗,使电力电子技术的节能优势得以更加充分地发挥.针对碳化硅材料的特殊性和实现碳化硅器件卓越性能的需要,分析了器件工艺当前亟待解决的问题.     

Impact of the gate driver voltage on temperature sensitive electrical parameters for condition monitoring of SiC power MOSFETs

Condition monitoring using temperature sensitive electrical parameters (TSEPs) is widely recognized as an enabler for health management of power modules. The on-state resistance/forward voltage of MOSFETs, IGBTs and diodes has already been identified as TSEPs by several researchers. However, for SiC MOSFETs, the temperature sensitivity of on-state voltage/resistance varies depending on the device and is generally not as high as in silicon devices. Recently the turn-on current switching rate has been identified as a TSEP in SiC MOSFETs, but its temperature sensitivity was shown to be significantly affected by the gate resistance. Hence, an important consideration regarding the use of TSEPs for health monitoring is how the gate driver can be used for improving the temperature sensitivity of determined electrical parameters and implementing more effective condition monitoring strategies. This paper characterizes the impact of the gate driver voltage on the temperature sensitivity of the on-state resistance and current switching rate of SiC power MOSFETs. It is shown that the temperature sensitivity of the switching rate in SiC MOSFETs increases if the devices are driven at lower gate voltages. It is also shown, that depending on the SiC MOSFET technology, reducing the gate drive voltage can increase the temperature sensitivity of the on-state resistance. Hence, using an intelligent gate driver with the capability of customizing occasional switching pulses for junction temperature sensing using TSEPs, it would be possible to implement condition monitoring more effectively for SiC power devices.     

SiC 器件在雷达电源中的应用

现代雷达的发展迫切需要电源提升功率密度和效率。基于第三代半导体碳化硅(SiC)材料的功率器件在耐压等级、高频工作、高温性能等方面有较大优势。文中详细阐述了SiC 器件的特性和各类型SiC 功率器件的发展现状,分析了SiC功率器件在雷达电源中的应用方向,并基于SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设计了阵面电源样机,完成了高开关频率性能测试。实验结果表明:SiC MOSFET 的高频工作能降低系统损耗,并提升电源功率密度。     

一种新型SiC SBD的高温反向恢复特性

与传统硅基功率二极管相比,碳化硅肖特基势垒二极管(SiC SBD)可提高开关频率并大幅减小开关损耗,同时有更高的耐压范围.设计并制作了具有场限环结终端和Ti肖特基接触的1.2 kV/30 A SiC SBD器件,研究了该SiC SBD在100~300℃时的反向恢复特性.实验结果表明,温度每上升100℃,SiC SBD反向电压峰值增幅为5%左右,而反向恢复电流与反向恢复时间受温度影响不大;温度每升高50℃,反向恢复损耗功率峰值降低5%.实验结果表明该SiCSBD在高温下能够稳定工作,且具有良好的反向恢复特性,适用于卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测等需要大功率、耐高温和高速器件的领域.     

Current SiC technology for power electronic devices beyond Si

Recent big progress in SiC technology for power electronic devices beyond Si is reviewed. Historical aspects in SiC development are described. Current subjects such as bulk crystal growth, epitaxial growth, device processes for new generation of SiC power devices are briefly explained. Commercially available Schottky diodes and possible switching devices are introduced.     

Silicon Carbide Power MOSFET Model and Parameter Extraction Sequence

A compact circuit simulator model is used to describe the performance of a 2-kV, 5-A 4-H silicon carbide (SiC) power DiMOSFET and to perform a detailed comparison with the performance of a widely used 400-V, 5-A Si power MOSFET. The model's channel current expressions are unique in that they include the channel regions at the corners of the square or hexagonal cells that turn on at lower gate voltages and the enhanced linear region transconductance due to diffusion in the nonuniformly doped channel. It is shown that the model accurately describes the static and dynamic performance of both the Si and SiC devices and that the diffusion-enhanced channel conductance is essential to describe the SiC DiMOSFET on-state characteristics. The detailed device comparisons reveal that both the on-state performance and switching performance at 25degC are similar between the 400-V Si and 2-kV SiC MOSFETs, with the exception that the SiC device requires twice the gate drive voltage. The main difference between the devices is that the SiC has a five times higher voltage rating without an increase in the specific on-resistance. At higher temperatures (above 100degC), the Si device has a severe reduction in conduction capability, whereas the SiC on-resistance is only minimally affected     

功率VDMOS器件的研究与发展

简要介绍了垂直双扩散功率场效应晶体管(VDMOS)的研究现状和发展历史.针对功率VDMOS器件击穿电压和导通电阻之间存在的矛盾,重点介绍了几种新型器件结构(包括沟槽栅VDMOS、超结VDMOS、半超结VDMOS)的工作原理和结构特点,以及其在制造工艺中存在的问题.对不同器件结构的优缺点进行了比较分析.对一些新型衍生结构...