压控型脉冲功率半导体器件技术及应用

近年来,采用新一代半导体开关替代传统气体或真空开关是脉冲功率系统的一种重要发展趋势。为了给脉冲功率半导体器件领域的技术发展提供参考,简要介绍了压控型脉冲功率半导体器件技术的发展历程,总结了MOS栅控晶闸管(MCT)在器件设计、工艺和可靠性等方面的研究进展,同时通过比较MCT与一般商业IGBT器件,阐述了MCT相比于其他功率脉冲半导体器件的优劣情况,并结合典型应用场景展示了MCT器件的优势,对压控型脉冲功率半导体器件的发展趋势进行了简要分析。

金属氧化物半导体传感器用于甲醛现场快速检测的研究进展

随着社会经济的不断发展和人们生活水平的提高,对室内居住环境的要求也越来越高,但是室内多种装修不可避免地导致甲醛等挥发性有机物污染,严重影响人们的健康,因此对甲醛气体的现场检测具有重要的意义。在多种检测方法中,基于金属氧化物(MOS)气体传感器具有及时、快速、灵敏等特点,已成为气体污染物检测与防治领域的重要手段。综述了基于不同MOS的纳米结构用于甲醛检测的研究进展,总结了SnO_(2)、In_(2)O_(3)、ZnO、CuO及三元MOS纳米结构对甲醛检测的现状,并展望了MOS基甲醛传感器未来的发展方向。

温度对金属氧化物半导体传感器的影响研究

金属氧化物半导体传感器(MOS)既可以用于检测ppm级的有毒气体也可以用于检测百分比浓度的易燃易爆气体,无论是在工业现场的探测器还是在家庭中的报警器都有很广泛的应用。结合金属氧化物半导体传感器在检测有毒气体时温度对检测精度的影响,提出相应的温度补偿算法。实验表明,补偿后的金属氧化物半导体传感器能够实现对有毒气体的准确检测。

金属半导体氧化物气敏性能研究进展

简介金属氧化物半导体气敏元件的掺杂技术，探讨了掺杂作用的机理，列举对最典型半导体气敏元件的掺杂和对其灵敏度和选择性的影响作用。

金属氧化物半导体场效应管

MOS是一种半导体电路的结构形式，它可用于：（1）采用氧化膜把栅极与沟道绝缘的场效应管；（2）极板；（3）有源区是金属一氧化物半导体的夹心层的电路。而FET是输出电流的大小受输入电压控制的一种电场效应晶体管，α-SiTFT和p—SiTFT都是基于场效应管的工作原理。MOSFET是由金属、氧化物（SiO2或SiN）及半导体三种材料制成的器件，可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管。

功率MOSFET在永磁同步电机控制中的影响和分析

在现代雷达控制系统中,伺服系统的转速稳定性和定点精度,直接影响到最终成像品质。文中针对伺服系统常用的永磁同步电机控制器中的功率器件金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)展开研究,主要分析了MOSFET的米勒效应,介绍了MOSFET的电路模型和开通过程,分析了米勒平台电压的振荡原因和米勒效应对驱动电路的危害,并设计两种优化电路来抑制米勒效应。理论分析和实验结果表明,经过改进的驱动电路有效抑制了米勒效应产生的栅源脉冲电压尖峰。所设计电路已应用于20 kHz/1 kW永磁同步电机驱动器,有效提升了雷达伺服系统的环境适应性和稳定性。

基于MOS控制晶闸管的高压电容放电特性

为了研究国产金属氧化物半导体(MOS)控制晶闸管(Metal?Oxide?Semiconductor controlled thyristor,MCT)与高压陶瓷电容组成的电容放电单元(Capacitor Discharge Unit,CDU)的放电特性,设计制备出体积为40 mm(L)×25 mm(W)×8 mm(H)的CDU,其回路电感约10 nH,电阻约100 mΩ。首先分析了CDU回路的R-L-C零输入响应方程,采用CDU负载短路放电实验进行验证,研究发现随着电容值的增大,CDU的峰值电流、峰值电流上升时间、高压电容的放电时间等关键参数均增大;随着放电电压的升高,峰值电流增大,峰值电流上升时间不变。采用微型爆炸箔芯片(Cu桥箔35 mΩ)和硼/硝酸钾(Boron?Potassium Nitrate,BPN)点火药(硼粉/1.50μm,压药密度/1.57 g·cm^(-3))验证了CDU的作用效能,在0.36μF/1.20 kV下,测得回路峰值电流2.032 kA,桥箔两端电压0.9273 kV,峰值电流、电压延迟时间32.4 ns,爆发点时刻168.2 ns,爆发点功率1.490 MW,且CDU能可靠进行BPN的飞片冲击点火。结果表明,基于国产MCT和高压陶瓷电容的CDU基本适用于爆炸箔起爆器等脉冲大电流激发火工品,但其综合性能仍需改进。

电力半导体器件的现状及发展趋势

叙述了电力半导体器件在电力电子装置中的作用，略述了各种双极型电力半导体器件和ＭＯＳ结构电力半导体器件的主要静、动态特性、目前水平、存在问题及发展趋势。简述了功率ＩＣ，新型半导体材料对发展新型高压、大电流、快速、高温功率器件的作用。提出了高压、大电流、高频、模块化和组件化是电力半导体器件今后发展的方向。

大功率半导体技术现状及其进展

介绍了现代硅基大功率半导体器件的历史演变和新型器件结构的研究进展,以及宽禁带半导体材料和器件的现状;阐述了国内大功率半导体器件在轨道交通、直流输电和新能源汽车等领域的研发进展和应用现状;最后讨论了大功率半导体技术面临的技术挑战和发展趋势。

基于有源箝位技术的SiC MOSFET串联均压有源驱动电路研究

功率器件串联技术是实现高压应用的有效途径之一,而串联应用的主要制约因素是串联器件之间的动态均压问题。该文针对不均压条件下串联器件的关断行为进行了理论分析,探究不均压的产生机理,提出一种基于有源箝位技术的碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管串联均压有源驱动,其利用有源箝位电路检测串联器件之间的电压不均衡,并箝位电压尖峰,通过反馈控制器件栅极电荷及开关瞬态行为实现均压。该方案不存在不均压的调节周期,即使在交变负载下依然能在每一个开关周期的关断时间内实现均压控制。此外,该文还详细介绍所提出方案的电路原理和参数设计过程,并通过试验验证该方案均压控制效果的有效性。结果表明,所提出方案具有有源箝位电路拓展性强的特点;是独立于原有栅极驱动电路的辅助电路,适用性强;且控制电路结构简单,无需可编程逻辑芯片和额外的信号隔离。

MOS控制的晶闸管简介

本文简要介绍了ＭＯＳ控制的晶闸管（ＭＣＴ）结构及优点，较详细地介绍了Ｐ－ＭＣＴ的特点，同时对ＭＣＴ的发展作了一些探讨。

低温低剂量率下金属-氧化物-半导体器件的辐照效应

对金属 氧化物 半导体 (MOS)器件在低剂量率γ射线辐照条件下的剂量率效应以及温度效应进行了研究 .对不同剂量率、不同温度辐照后MOS器件的阈值电压漂移进行了比较 .结果表明 ,低剂量率辐照下 ,感生界面态要受到辐照时间的长短以及生成的氢离子数目的影响 ,辐照时间越长 ,生成的氢离子越多 ,感生界面态密度越大 ;温度对界面态的影响与界面态建立的时间有关 ,低温辐照时 。

SiC-MOSFET与Si-IGBT混合开关车载双向充电器中线桥臂设计及控制

为增强电动汽车与电网的互动能力,车载双向充电器已成为现研究的热点。设计采用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)与硅绝缘栅双极型晶体管(silicon-insulated gate bipolar transistor Si-IGBT)相结合,完成了基于双有源桥(dual active bridge,DAB)与三相四线逆变器级联的双向充电系统。通过建立逆变器数学模型分析了不平衡负载下产生分裂电容电压震荡的原因,描述了震荡幅值与负载不平衡度之间的关系,为分裂电容值的选择提供了理论依据。对实际控制系统中存在的延迟,分析使用Si-IGBT构建中线桥臂的可行性,提出了基于虚拟阻抗的双向充电器在不平衡负载下中线桥臂与其他3个桥臂之间的解耦控制方法。并使用10kHz与50kHz开关频率验证了不平衡负载下该控制方法对分裂电容电压震荡的抑制作用。提出该系统在V2G,G2V及V2H这3种不同工作模式下的详细控制策略,通过实验验证了不同模式下的控制策略及中线解耦控制方法的可行性和有效性。并进一步分析该拓扑结构在V2H模式下同时为多个不同住宅提供单相电的可能性,为采用SiC设计类似的电力电子设备提供系统的设计方案及控制方法。

碳化硅MOSFET栅氧化层可靠性研究

通过TCAD仿真的方法对器件可靠性与结构设计之间的关系进行分析;对栅极电压和栅氧化层最强电场进行仿真,以对碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)单胞结构参数进行优化;在N型碳化硅外延层上制作金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)电容,并且通过对MOS电容进行C-V测试的方法评估Si O2/Si C界面质量。对导带附近界面陷阱密度进行比较。NO退火的样品与干氧氧化样品相比界面质量明显改善,界面态密度小于5×10~11 cm–2e V–1。

高温氧化对SiC MOS器件栅氧可靠性的影响

SiC金属氧化物半导体(MOS)器件中SiO_2栅氧化层的可靠性直接影响器件的功能。为了开发高可靠性的栅氧化层,将n型4H-SiC(0001)外延片分别在1 200,1 250,1 350,1 450和1 550℃5种温度下进行高温干氧氧化实验来制备SiO_2栅氧化层。在室温下,对SiC MOS电容样品的栅氧化层进行零时击穿(TZDB)和与时间有关的击穿(TDDB)测试,并对不同干氧氧化温度处理下的栅氧化层样品分别进行了可靠性分析。结果发现,在1 250℃下进行高温干氧氧化时所得的击穿场强和击穿电荷最大,分别为11.21 MV/cm和5.5×10-4C/cm^2,势垒高度(2.43 eV)最接近理论值。当温度高于1 250℃时生成的SiO_2栅氧化层的可靠性随之降低。

TPAK SiC车用电机控制器功率单元的并联均流设计与实现

SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)作为车用电机控制器功率单元的核心器件,其并联不均流问题是影响电机控制器安全稳定运行的关键因素。对于热增强塑料封装(TPAK)SiC MOSFET功率模块实际应用中的不均流问题,首先通过理论推导和仿真,对影响SiC并联均流的器件参数、功率回路参数、驱动回路参数进行了全面的分析总结。然后结合仿真结果对电机控制器进行均流优化设计,其中包括对TPAK SiC MOSFET进行测试、筛选和分析,减小器件参数分散性的影响;基于器件开关特性,对功率模块的驱动回路采用单驱动器多推挽结构,减小驱动回路对并联均流的影响;设计了一种叠层母排结构,在ANSYS Q3D中提取到功率回路寄生电感为9.649 nH,采用ANSYS Q3D和Simplorer进行联合双脉冲仿真,电流不均衡度小于3%。最后,进行了电机控制器样机的试制及测试,实际测试结果表明电流不均衡度小于5%,验证了在车用电机控制器应用中TPAK SiC MOSFET模块均流设计的可行性。

MOSFET桥式整流器在PC电源中的应用

在电源输入端将传统的二极管桥式整流器改为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)桥式整流器及相应的控制线路,可以大幅减少传统二极管桥式整流的导通损耗,且控制线路简单、稳定可靠性高。通过实测数据对比,在一款2000 W的大功率PC电源中,整机效率有所提高,能够轻松实现钛金牌效率的要求。

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。

SiC MOSFET高频感应加热电源系统研究

采用新型功率开关器件SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),利用多器件并联和多逆变桥并联的扩容方式完成了800 kHz/150 kW高频大功率感应加热电源的系统研制。设计了易实现且实用性较强的SiC MOSFET驱动电路,提出带延时补偿调整的锁相控制策略,并对直流过流检测保护电路和失锁检测保护电路进行了设计。试验结果表明了所设计的感应加热电源能够实现安全可靠运行。

动态死区抑制MOSFET反向恢复电流的研究

功率MOSFET器件组成桥臂式拓扑结构时,由于其内部寄生的二极管反向恢复特性较差,开关过程将产生较大的反向恢复电流,引起关断电压尖峰以及漏源极和栅源极之间的振荡。分析了桥臂上下管死区大小与反向恢复电流之间的关系,提出通过动态优化死区来减小反向恢复电流的方法。给出了死区与反向恢复电流关系的初步仿真结果,并基于两种不同反向恢复特性的MOSFET器件进行了实验研究。仿真和实验结果表明,使用动态死区可有效抑制MOSFET器件的反向恢复电流,并减小由反向恢复引起的开关损耗以及关断电压的尖峰和振荡。