GaN HEMT器件主要性能指标有哪些?宽禁带器件测试方案

GaN HEMT器件性能的评估,一般包含静态参数测试(I-V测试)、频率特性(小信号S参数测试)、功率特性(Load-Pull测试)。静态参数,也被称作直流参数,是用来评估半导体器件性能的基础测试,也是器件使用的重要依据。以阈值电压Vgs(th)为例,其值的大小对研发人员设计器件的驱动电路具有重要的指导意义。静态测试方法,一般是在器件对应的端子上加载电压或者电流,并测试其对应参数。与Si基器件不同的是,GaN器件的栅极阈值电压较低,甚至要加载负压。

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。

宽禁带器件在1kV高频直流谐振变换器中的应用与对比

与传统硅Si(silicon)功率器件相比,第3代宽禁带功率半导体器件,如碳化硅SiC(silicon carbide)和氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件,由于具有高功率密度、耐高温和抗辐照等特点,得到了越来越广泛的应用。分析了基于SiC和GaN的2种1 kV输入、32 V/3 kW输出的LLC谐振变换器,通过仿真和实验探究了变压器匝间电容对谐振电流的影响;并采取分离谐振腔、改变变压器绕组结构的方法,减小谐振电流的畸变,保证了开关管ZVS的实现。由于大匝比变压器难以平面化,2种变换器均采用原边串联、副边并联的矩阵变压器,实现自动均压、均流,降低电压和电流应力,提高功率密度和热稳定性。为了进一步提高效率,GaN LLC变换器副边采用同步整流。最后,本文从拓扑、损耗、整机尺寸、可靠性以及功率密度等方面对比分析了这2种变换器的优缺点,为器件的选择提供了参考依据。

电压探头对宽禁带器件高频暂态电压精确测量的影响

随着宽禁带半导体器件的发展,电力电子器件的开关速度越来越快,工作电压逐渐升高,致使电压探头的性能对电力电子器件暂态电压测量结果的影响程度增大。该文分析几种实验室常用的示波器电压探头的测量原理,根据电压探头的电路分析模型,研究探头的带宽/上升时间、寄生电感和共模抑制比等几个关键因素对高频暂态电压测量结果的影响。最后搭建实验平台,实验结果验证了理论分析的有效性。

“宽禁带电力电子器件的原理与应用”课程建设

为了满足南京航空航天大学电气工程及其自动化专业本科教育人才培养需求,建设了“宽禁带电力电子器件的原理与应用”课程。教学内容分为三大模块和七个学习阶段。在教学过程中,引入“教师引导、自主学习、问题导向、扩展视野”的教学理念,将启发式、讨论式等教学方法互相配合使用,充分激发学生学习兴趣,加深对器件知识的理解,强化器件测试和应用能力,着力培养学生分析问题和解决问题的能力。

“宽禁带半导体变流技术及其应用”专题特约主编寄语

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料由于其宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点,成为制作大功率、高频、高温及抗辐照电子器件的理想替代材料。随着SiC单晶生长技术、外延材料工艺和GaN异质结外延技术的不断成熟,宽禁带半导体功率器件的研制和应用在近年来得到迅速发展,人们对SiC在新能源汽车、电力能源等大功率、高温、高压场合,以及GaN在快充和信息电子领域的应用前景寄予厚望。深入探索宽禁带器件的材料及应用特性,最大限度发挥宽禁带器件的性能,成为宽禁带半导体变流技术及其应用的重要研究方向。

宽禁带半导体器件研究现状与展望

电力电子器件是电力电子技术的重要基础。由于传统的硅电力电子器件的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。本文对碳化硅和氮化镓电力电子器件的商业化产品水平和实验室研究现状进行了综述和探讨,并对宽禁带半导体器件在未来功率器件市场中的应用前景进行了预测及展望。

宽禁带半导体功率器件在现代雷达中的应用

现代战争对雷达性能的要求日益提高,基础材料、工艺和元器件的飞速发展,促进了雷达技术的不断进步。宽禁带半导体功率器件的出现,使得雷达发射机乃至雷达性能的大幅度提升成为可能。文中简要介绍了现代雷达对大功率发射机的迫切需求,结合宽禁带半导体器件的特点,阐述了该类器件的发展现状,给出了发展趋势及应用展望。

宽禁带半导体器件的发展

概要介绍了宽禁带半导体器件的近期发展情况。AlGaN/GaN微波功率HEMT、蓝光激光器和紫外探测器在军用电子系统中具有特殊重要的应用价值,同时在民用领域也有良好的应用前景和广阔的市场。简要描述了它们的技术特点,以及在相控阵雷达、电子战系统、精确制导、水下光通信和探测系统中的应用前景。

2012年IEEE国际功率半导体器件(电力电子器件)及功率集成电路会议综述

本文概述第24届国际功率半导体器件与功率集成电路会议(ISPSD12)上发表的主要技术成果和进展。主要内容有:全体会场上的三篇特邀综述、高压技术(包括先进的高压开关、器件坚固性和先进的高压二极管)、宽禁带器件(包括GaN器件和SiC器件)、集成功率(包括集成功率技术与应用)、封装与系统集成、低压技术(包括低压器件、可靠性物理和先进转换器)等几个方面。

一种新型可调驱动电压的SiC/Si混合开关驱动电路

为提高碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbide metal oxide semiconductor filed effect transistor,SiC-MOSFET)与硅基绝缘栅极双极晶体管(silicon insulated gate bipolar transistor,Si-IGBT)并联混合开关(SiC/Si hybrid switch,SiC/Si HyS)的可靠性与适用性,该文提出一种可变驱动电压的SiC/Si HyS栅极驱动电路结构,采用一路脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制信号和一个驱动芯片产生不同电压幅值的栅极控制信号,分别控制SiC/Si HyS中的SiC-MOSFET和Si-IGBT。相比于传统采用2个独立驱动电路的SiC/Si HyS驱动结构,该驱动电路大幅度降低SiC/Si HyS栅极驱动电路的复杂度,降低SiC-MOSFET关断过程中Si-IGBT误导通的可能性,提升混合开关的工作可靠性。该文首先分析所设计驱动电路工作原理,给出驱动电压调节方法;其次,建立耦合电容端电压纹波和系统启动时电容端电压暂态数学模型,通过仿真和实验验证模型准确性;搭建2 kW的SiC/Si混合开关Buck电路,验证该文所提混合开关驱动电路可行性,从SiC/Si HyS功率器件关断损耗、驱动电路功率损耗、成本以及体积4个方面分析所提驱动结构的优势。

基于SiC器件的高频高效率双Buck半桥逆变器

宽禁带器件碳化硅(SiC)半导体耐压高、开关速度快、损耗低,在逆变电源朝着小型化、轻量化和高效率的发展趋势中具有良好的应用前景。对SiC MOSFET性能及双降压式半桥逆变器(DBHBI)的工作原理、参数设计及损耗模型进行了理论分析与实验研究,比较其与Si IGBT逆变器的效率。搭建一台1 kW实验样机进行测试,开关频率100 kHz下最高效率达到96.28%。

具有软启动功能的EMI直流滤波器设计

宽禁带半导体器件的应用使电动汽车的电机驱动系统更加小型化和轻量化,但也引发了更为严重的电磁干扰,使得驱动系统的可靠性面临严峻挑战。为此,以24 V/2 A的EMI直流滤波器为例,通过噪声源、滤波器原理及阻抗影响的分析,依据插入损耗指标进行滤波器参数设计。同时,考虑到整车启动时刻的启动冲击,加入软启动电路,进一步提高电动汽车驱动系统可靠性。实验测试验证了滤波器的电磁干扰抑制效果和软启动性能,证明了滤波器设计的可行性和有效性。

GaN功率器件及其应用现状与发展

电力电子器件是电力电子技术的重要基础。现有硅基电力电子器件的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。以氮化镓为代表的宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能,成为电力电子器件的研究热点。介绍了氮化镓电力电子器件的商业化产品水平和实验室研究现状,阐述了其在典型场合中的应用,并剖析了其发展中存在的挑战。

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。

功率半导体器件辐射效应综述

功率半导体器件是航天器电源系统中的核心元件,太空环境中的粒子辐射会使其发生失效。首先,总结了硅功率半导体器件几种主要的辐射效应。然后,介绍了近年来一些新的研究成果和研究热点。最后,对第三代半导体功率器件中的辐射效应进行了简单介绍。

碳化硅器件建模与杂散参数影响机理

为了更准确地评估碳化硅宽禁带半导体功率器件的性能和系统特性,需要搭建不同封装下器件的快速行为仿真模型,包括静态特性模型与动态响应模型。首先基于MOSFET器件EKV模型,舍去了原模型的漂移区电阻并赋予参数温度自由度后,实现一种仅需要器件数据手册的快速建模方法。对比原静态模型,改进模型收敛速度更快;器件转移特性和输出特性拟合精确度有明显提高;不同结温的静态特性可独立建模。其次,基于静态模型参数,校正了寄生电容和跨导,加入模块封装和层叠母排的杂散电感和分布电容参数,分阶段建立了开关过程中驱动回路和主回路微分方程,给出了器件杂散参数提取过程以及漏极电流、端电压的动态响应求解方法。最后搭建碳化硅功率模块双脉冲实验电路,结果显示模型可真实重现开关过程中的电压电流尖峰与振铃细节。

多电飞机电机绝缘研究现状和未来挑战

出于可持续发展考虑,近几十年来,飞机正在向电气化发展以减少对机械、液压和气动系统的依赖,进一步提高系统效率与可靠性。但是由于当前技术限制,多电/全电飞机的功率远不及传统飞机,提高飞机推进功率和系统比功率是重点研究问题。更高的系统电压等级和新型宽禁带功率器件都能够改善以上问题,但与此同时也会带来严峻的挑战:高海拔区域高压绝缘设计与低海拔区域有显著差异,高海拔运行将面临低气压、高温和高湿等恶劣环境条件;由宽禁带器件驱动的电机需要耐受更快上升时间和更高频的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)脉冲电压,这会对电机绕组带来更大的冲击。本文总结了多电飞机电机电气绝缘设计相关标准与挑战,考虑了高海拔环境因素与快速PWM脉冲电应力因素对电机绝缘影响,并指出现有标准中的不足和未来研究展望。

大功率半导体模块封装进展与展望

大功率半导体模块的发展进化是电力电子系统升级和产业发展的最关键因素。文章根据功率模块的主要应用领域分类,综述了其产品和封装技术的最新进展,分析了新型模块产品的结构和技术特点;然后提出了当前模块封装面临的技术、成本以及新型应用系统要求等方面的挑战,讨论了向高频、高温、高可靠性、模块化等方向发展的挑战;最后对大功率半导体模块的互连及连接技术、集成化和灌封材料、紧凑封装结构的中长期趋势进行了探讨和展望。

单相控制型软开关逆变器的最小复位电流控制

基于电感电流临界导通模式(critical conduction mode,CRM)的控制型软开关技术可实现开关管零电压开通(zero voltage switching,ZVS),但传统恒定电流复位方法的反向电流大,开关管通态损耗高。文中以单相三电平中点箝位型(three-level neutral point clamped,3L-NPC)逆变器为研究对象,提出一种具有最小电感复位电流的控制方法。首先,分析开关管ZVS的实现条件,建立谐振等效电路分析模型,推导出电感复位电流理论最小值,在保证整个工频周期内开关管ZVS的同时,降低复位电流导致的开关管通态损耗。然后,建立逆变器损耗分析模型,将文中方法与传统恒定电流复位方法进行损耗计算与对比。最后,搭建一台1 kW的单相3L-NPC逆变器样机进行实验,结果表明文中方法相比于传统恒定电流复位方法,降低了损耗,最高变换效率提升约0.5个百分点。