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。     

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功率器件出现额定电流两倍以上过电流现象时,可实现GaN功率器件缓慢关断,对GaN开关器件电流故障做出动作保护。利用LT-spice仿真软件和实验平台的搭建,验证设计的合理性。     

GaN器件高频精确测试及开关特性对比研究

对高频工况下氮化镓(GaN)器件的开关特性精确测量进行了研究,基于市面上两种不同类型的GaN器件,对其开关特性进行对比测试,分析高频工况下不同类型GaN器件的优势。首先,分析不同测量方式对电流测量波形的影响,选择适用于高频工况下的电流测量方式;其次,对高频驱动回路进行优化布局,减小寄生电感,使得开关特性测量结果更为精确;最后,基于双脉冲测试平台,分别对共源共栅(Cascode)型和单体增强(EMode)型两类GaN器件进行开关特性测试,明确各自特性优势和应用场合。     

抗高压动态导通电阻退化的高性能GaN功率开关器件研究

GaN功率开关器件界面态和缓冲层中深能级陷阱会导致高压电流坍塌和动态导通电阻退化。为提升高性能GaN功率开关器件抗高压性能,改善动态导通电阻退化能力,应采用极值性PEALD-AlN钝化技术设计高压状况下GaN功率开关器件,实现单片集成器件的目的,在去氧化层和氮化处理GaN功率开关器件表面后,采用高温LPCVD-SiN_x钝化技术,使器件表面形成钝化层,抑制界面态导致的高压电流坍塌。同时,在高性能GaN功率开关器件电极附近注入磷离子,提升导通电阻性能,降低导通电阻退化速度。经过实验分析发现,经过极值性PEALD-AlN钝化后的GaN功率开关器件电流几乎无明显变化,在磷离子注入后,随着触发能量的变化,导通电阻变化较小,最小值达到3.16 Ω/mm,即该方法能有效抗高压动态导通电阻退化。     

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。     

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。     

InP基PIN开关二极管结构设计与制备

开关二极管是微波控制电路中的一种应用最普遍的控制器件,它可以实现近似短路和开路的功能.Ⅰ层厚度对PIN二极管的器件特性具有重要的影响.利用Silvaco TCAD软件对InP基PIN开关二极管器件结构进行建模仿真,分析不同1区厚度对二极管的电流电压特性的影响,得出最优值.利用化合物半导体材料外延与器件工艺平台,制备出InP基PIN开关二极管器件,直流特性测试结果表明,PIN开关二极管的开启电压为0.525 V,反向击穿电压大于12 V.为进一步实现毫米波开关电路奠定了基础.     

功率器件功率循环测试技术的挑战与分析EI北大核心CSCD

功率循环测试被称为考核功率器件封装可靠性最重要的实验,尤其是碳化硅金属–氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,SiC MOSFET)功率器件的快速发展,是近几年的研究热点。与其他可靠性测试不同的是,功率循环测试原理虽然简单,但测试技术、测试方法和数据处理却涉及到半导体物理、电磁学、传热学、结构力学和信号分析等多学科交叉,处理不当将得到错误的结论。文中基于功率循环测试基本原理,从测试技术、测试方法和数据处理3个大方面对其存在的挑战进行深入分析,并提出相应的解决方案。测试技术主要包括电气测量噪声、结温测量延时和数据采集点,电气测量噪声和测量延时影响功率循环测试中结温的准确性,数据采集点则是影响器件的失效模式判定和寿命。测试方法主要包括结温测试方法、电流激励方法和宽禁带器件SiC MOSFET的相关测试方法,其中电流激励方法会影响器件的失效机理和寿命,需要特别关注。数据处理部分则是从可靠性数理统计角度出发,探究测试样本数量和对测试结果的修正,以得到准确的测试结果。该文可以为功率循环测试技术和设备的发展奠定一定理论和方法基础,为功率循环测试和数据分析提供一些借鉴。     

增强型GaN功率器件及集成技术

针对氮化镓(GaN)功率器件的研制,采用栅区域势垒层减薄技术及p-GaN栅结构,分别研制了阈值电压2 V以上、击穿电压1 200 V以上的凹槽栅结构和阈值电压1.1 V、击穿电压350 V以上、输出电流10 A以上的p-GaN栅结构增强型GaN功率器件。同时基于栅区域势垒层减薄技术,开发了GaN增强型/耗尽型(E/D)集成技术,并展示了采用E/D集成技术研制的51级GaN环形振荡器验证电路,集成了106只晶体管,级延时仅24.3 ps。     

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。     

Microwave AlGaN/GaN HFETs

This article presents the operating physics, performance potential, and status of device development of microwave AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors. AlGaN/GaN HFETs show potential for use in improved RF performance microwave amplifier applications. Development progress has been rapid, and prototype devices have demonstrated RF output power density as high as 30 W/mm. Microwave amplifier output power is rapidly approaching 100 W for single-chip operation, and these devices may soon find application for cellular base station transmitter applications. Devices are being developed for use in X-band radars, and RF performance is rapidly improving. The HFET devices experience several physical effects that can limit performance. These effects consist of nonlinearities introduced during the high-current and high-voltage portions of the RF cycle. High-current phenomena involve the operation of the conducting channel above the critical current density for initiation of space-charge effects. The source resistance is modulated in magnitude by the channel current, and high source resistance results. High voltage effects include reverse leakage of the gate electrode and subsequent charge trapping effects on the semiconductor surface, and RF breakdown in the conducting channel. These effects can produce premature saturation effects. Also, under certain conditions, high voltage operation of the device can initiate an IMPATT mode of operation. When this occurs, the channel current increases and RF gain is increased. This phenomenon enhances the RF output power of the device. The physical limiting effects can be controlled with proper design, and the outlook for use of these devices in practical applications is excellent.     

10kV配电变压器自动调压的研究以及试验分析

针对配电变压器机械式有载调压装置复杂、调压不方便等问题,提出一种基于电力电子开关的5档自动调压技术方案。采用启动保护电路,避免电力电子开关承受合闸电压和励磁涌流冲击,保证电力电子开关退出时变压器的正常运行;考虑变压器高压侧绕组不同接线方式,分析开关器件两端承受的电压以及分接头对地电压的分布情况,为电力电子开关器件的参数选择提供参考。结果表明高压侧为星形接线的中性点调压方式更加有利于电力电子器件的工作,高压侧为三角形接线的中部调压方式对于电力电子器件的工作电压以及隔离电压均有较高的要求。在完成电路设计与器件选型的基础上,研制了基于电力电子开关的自动有载调压变压器,并安装于现场试运行。理论研究、仿真分析、样机试验以及上网试运行均表明所提方案具有可行性与可靠性。     

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。     

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。     

软开关电路的原理与分析

软开关技术利用在零电压(零电流)条件下控制开关器件的导通和关断,有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声而在电力电子装置中得到了广泛的应用.介绍了软开关电路的原理,重点介绍了几类软开关电路,并对其中的重点电路的特点做出分析.     

GaN高电子迁移率晶体管的研究进展

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)是GaN微波功率器件的主要形式,是第3代半导体技术领域发展和竞争的焦点.针对GaN HEMT的目标特性和电流崩塌现象,从材料结构设计和器件设计两方面概括了十几年来GaN HEMT器件性能优化的研究方法,并给出了国内外GaN HEMT器件微波功率特性目前的研究进展水平.     

Advanced Power Module Packaging and Integration Structures for High Frequency Power Conversion:From Silicon to GaN

The emerging of commercial high-voltage gallium nitride(GaN) power devices provides extraordinary switching performance over silicone devices, which enables high-voltage power conversion switching at megahertz range.Such outstanding features also pose strong challenges for device packaging design since the package parasitics can significantly influence the device switching characteristics, and thus can shadow the advantages brought by GaN devices. Designers have been dealing with these challenges brought by high du/dt and high-frequency switching operation even since the silicon(Si) era when fast switching Si MOSFET is first developed and came up with lots of inspiring advanced power module packaging structures to mitigate the problems.This paper presents a review of advanced power module packaging and integration structures that are suitable for high frequency power conversion.The review covers the heritage from the high frequency Si MOSFET packaging to the state-of-the-art for GaN devices.     

基于GaN FETs的高频半桥谐振变换器分析与设计

随着Si材料半导体器件性能逐步达到瓶颈,宽禁带半导体器件(GaN、SiC)在诸多方面展现出了很好的性能,如低导通阻抗,小输入、输出电容等,这些特性使得GaN和SiC器件能够应用在更高的开关频率条件,从而提高系统的功率密度。针对基于GaN FETs构成的高频半桥谐振变换器进行设计,分析了高频条件下寄生电感参数对系统驱动电压及漏源极电压的影响,同时分析了高频条件下系统电压电流测量所需注意的事项及影响因素,为高频条件下GaN FETs的应用提供一定的帮助。