非分段GaN HEMT EF2类功率放大器理论研究

目前,增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的仿真模型存在仿真时间长、复杂度高且收敛性不好等问题。为了解决GaN HEMT器件在电力电子电路中仿真收敛性和准确性差的问题,提出一种非分段的GaN HEMT SPICE模型。使用非分段连续方程对GaN HEMT器件的静态和动态特性进行建模;再对GaN HEMT的输出特性进行仿真,并与Si MOSFET的仿真结果进行对比。仿真结果表明,所提模型的收敛性较好,收敛速度快,有较高的准确性。另外,将此模型应用于EF2类功率放大器中,研究该模型对传输效率的影响。仿真结果进一步表明:该模型具有良好的收敛性;且当开关频率为10~20 MHz,输入功率为75 W时,输出功率可达73 W,传输效率为95%,这也证明了GaN HEMT器件可以提高EF2类功率放大器的传输效率。

VHF频段小型化千瓦级GaN功率放大器

为了满足VHF频段对高功率放大器小型化的需求,设计并制备了一款基于05μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的VHF频段小型化千瓦级功率放大器。通过采用多节微带电容网络和高介电常数的印制电路板(PCB)实现了末级功率放大器匹配电路的小型化;以高通滤波器作为级间匹配电路,在减小电路尺寸的同时,提高了链路增益;采用混合集成工艺,实现了电源调制器、前级驱动功率放大器和末级功率放大器等各单元的小型化高密度集成。测试结果表明,在024~030 GHz频带内,该功率放大器的工作电压为50 V,工作脉宽为100μs,在占空比10%、输入功率10 dBm的工作条件下,带内输出功率大于1000 W,功率附加效率约为60%~69%,功率增益大于50 dB,功放体积为46 mm×30 mm×6 mm。

面向空间应用的GaN功率器件及其辐射效应

研究氮化镓(GaN)功率器件及其辐射效应对于解决空间应用需求、促进新一代航天器建设具有重大意义。介绍了GaN功率器件的主要结构及工作原理,综述了近年来国内外在GaN功率器件的总剂量效应和单粒子效应两方面的研究进展,并对辐射效应在GaN功率器件中造成的退化和损伤机制进行分析与讨论。研究结果显示:GaN功率器件具有较强的抗总剂量能力,但是抗单粒子能力较弱,易发生漏电和单粒子烧毁,且烧毁点多发生在栅极边缘的漏侧。对GaN功率器件辐照损伤机理的研究缺乏权威理论,有待进一步探索,为其空间应用提供理论支撑。目前,平面结构的GaN功率器件是主流的技术方案,单片集成及高频小型化是GaN功率器件未来发展的方向。

GaN载片式功率放大器质量提升研究

随着T/R组件集成度的不断提升,氮化镓(GaN)功放载片因其输出功率大、效率高、体积小的特点,成为功率放大器发展中的一种新形态。文中研究了一种新型的GaN功放载片可靠性和质量评价提升的方法,针对于GaN功放载片的特点,该方法将微波单片和分立器件的评价方法相结合,关注功率管芯、匹配电容等可靠性核心元件,通过细化筛选试验、加严质量一致性评价,辅以加速寿命试验的方式,在早期剔除不良品,控制产品的技术状态,提升产品的可靠性。利用两型GaN功放载片产品进行验证,两型产品在质量一致性评价时发现高功率管芯和匹配电容的问题,证明该方法可以显著提升GaN功放载片的质量。

GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型

GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)的热积累问题是制约其进一步高度集成和大功率化应用的主要技术瓶颈,针对该散热问题,提出了GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型。在简单多层叠加的热阻解析模型的基础上,细化至芯片的近结区域,引入了位置矫正因子矩阵和耦合系数矩阵,并通过加栅窗的方式建立了芯片近结区的热阻解析模型。该模型考虑了GaN功率放大器MMIC的特点以及衬底的晶格热效应,可以更准确地表征芯片结温。采用红外热成像仪对6种GaN功率放大器MMIC在不同工作条件下进行了热测试,对比仿真和测试结果发现,解析模型的结温预测误差在10%以内,说明该模型可以准确地表征GaN功率放大器MMIC的热特性,进而用于优化和指导电路拓扑设计。

GaN/金刚石复合结构的制备与器件性能

金刚石是一种极具竞争力的新型热沉衬底材料,可以显著提升GaN器件的输出功率密度。基于GaN上直接生长金刚石技术,研制了高导热GaN/金刚石复合衬底。采用聚合物辅助播种与两步法生长金刚石相结合的方法,实现了通过直接生长技术制备GaN/金刚石复合结构。通过引入大流量氢气生长模式,并对界面热阻进行优化,成功制备了高质量的GaN/金刚石复合结构。基于GaN/金刚石复合结构进行了器件验证,结果表明,与SiC基GaN器件相比,金刚石基GaN器件的输出功率密度由2.90 W/mm提升至3.96 W/mm。

0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

基于GaN HEMT的80GHz~140GHz超宽带功率放大器

为满足毫米波通信等应用领域对超宽带功率放大器的需求,文章采用南京电子器件研究所50 nm GaN HEMT工艺研制了一款覆盖W、F波段的超宽带功率放大器。首先,使用模型对实验数据进行拟合外推,得到宽带范围内管芯的功率阻抗;其次,采用LC结构加高低阻抗微带线方式进行宽带电路匹配,并设计了末级、级间和输入级的匹配电路拓扑结构;最后,对级间匹配电路进行综合优化调整,并采用兰格桥进行功率合成。最终,放大器在80GHz~140GHz范围内,典型线性增益达18dB,饱和输出功率达100mW,同时,在全频段范围内,芯片具有±1dB的功率平坦度和良好的回波损耗,在太赫兹领域具有广阔的应用前景。

集成式GaN单开关管功率因数校正变换器

传统的降压型功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器由于存在高谐波电流的缺点,较难满足IEC61000-3-2 C类限值,其应用受到很大限制。文中设计并搭建了一种集成式功率因数校正变换器,该变换器由一个降压PFC变换器和一个反激PFC变换器组成,其中降压和反激PFC变换器采用输入并联和输出并联连接方式共用一个GaN开关管和控制电路,降低变换器成本。集成式变换器在临界导通模式(critical conduction mode,CRM)恒定导通时间(constant on time,COT)控制下,反激单元消除了降压输入电流死区的影响,利用降压和反激PFC变换器的优势和GaN开关管的优异性能,变换器可以在宽电压输入范围下实现高效率和低总谐波失真。文中介绍了电路结构和工作原理,通过PSIM(power simulation)仿真验证理论推导的正确性,最后搭建了满载效率为94.1%的120 W样机,验证了该方案的可行性。

基于阶跃式匹配结构与谐波控制技术高效宽带GaN HEMT射频功率放大器设计

针对射频功率放大器存在的效率及带宽问题,文中设计了一款高效宽带GaN HEMT功率放大器(power amplifier,PA),采用阶跃式匹配结构实现其输入输出匹配网络设计,结合典型的十字型谐波控制技术实现了二、三次谐波的控制,极大地提高了输出效率。以GaN HEMT晶体管为核心器件,通过设置合适的偏置网络和匹配网络结构实现了电路设计。仿真结果表明,在2.3~2.9 GHz内其输出功率(P_(out))为41~42.1 dBm,增益(Gain)达12~13.1 dB、漏极效率(drain efficiency,DE)达69.1%~77.7%、功率附加效率(power added efficiency,PAE)达67.1%-74.3%。

基于温度特性测试的GaN HEMT功率放大器性能退化研究

为了研究氮化镓高电子迁移率晶体管功率放大器在不同环境温度下的性能退化情况,根据我国东、西、南、北4个地区的极端温度、平均温度以及电路的工作温度对其进行了系统的温度特性测试。测试结果显示,随着温度升高,该功率放大器的直流特性和交流特性都出现了不同程度的退化,当温度升高至125℃时,小信号增益较常温减少了1.26 dB,三阶交调点下降了6.03 dBm,输出功率与增益最大差值为1.31 dB。分析可得其主要原因是温度升高直接引起阈值电压正向偏移和二维电子气迁移率下降,进而导致饱和电流减小和膝点电压增加,最终使得输出功率显著减小。为保证电路在不同温度下正常工作,提出了一种温度补偿措施来抵消由温度引起的性能退化,这为电路的可靠性设计提供了重要参考。

金刚石基GaN界面热阻控制研究进展

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在雷达、5G通信、航空航天等领域发挥了重要作用,随着GaN HEMT功率密度的提升,器件热效应显著,散热成为了GaN HEMT性能提升的瓶颈。解决GaN HEMT器件散热问题的有效途径是采用高导热的衬底材料取代现役的SiC、Si衬底。金刚石是目前已知热导率(>2000 W·m^(-1)·K^(-1))最高的材料,高导热金刚石衬底能够全面解决GaN HEMT器件的热效应,成倍提升GaN器件的功率密度。本文阐述了金刚石基GaN的技术优势、主要实现途径,以及界面热阻对金刚石上GaN器件性能的影响。综述了国内外金刚石基GaN界面热阻控制的最新研究进展,分析了金刚石上GaN界面热阻研究过程中面临的主要问题和发展趋势。明确了在介质层材料选择有限的条件下,需要从GaN和金刚石的界面质量入手进一步降低界面热阻,提升GaN器件的性能。

星载供配电系统应用GaN数字电源关键技术研究

第三代半导体功率GaN器件由于具有良好的抗空间电磁辐照特性,特别适合应用于空间电源系统和空间电力电子领域,大大缩小了空间电力电子设备的体积和质量。根据航天器应用的空间供配电系统的需求,结合GaN器件特点,提出了一种基于GaN器件和数字DC/DC变换拓扑的42 V航天器供配电系统,并确定了该数字DC/DC变换器的主要技术指标。通过使用GaN器件、LLC谐振及软开关、同步驱动技术、高频磁性元件,设计的GaN数字DC/DC变换器的开关频率可达3 MHz,与硅基空间电源相比显著提高了功率质量比和功率体积比,满足42 V航天器供配系统对数字DC/DC变换器的要求,符合卫星供配电系的发展趋势。提出了应用GaN器件的数字DC/DC变换器关键技术攻关以及验证情况,通过采用抗辐射加固的GaN器件以及驱动芯片、新型散热技术,大大提高抗辐照特性和热特性。试验结果表明,该数字DC/DC变换器抗单粒子能力大于75 MeV•cm^(2)/mg,电离总剂量效应大于100 krad(Si),热特性满足卫星实际使用要求。同时,根据空间供配电系统长寿命、高可靠性的特点,给出了基于GaN器件的数字DC/DC变换器的进一步研究和发展方向,为早日实现空间应用提供技术支撑。

一种L波段国产GaN固态雷达发射机

为了应对国产雷达所有元器件均国产化需求,设计了一款工作频点在1.2GHZ~1.4 GHz的国产氮化镓(gallium nitride,GaN)固态雷达发射机。使用国产GaN功率模块对发射系统最大限度地进行小型化设计,降低组件的重量,加强设备的高可靠性及维护方便性设计,进一步完善GaN功率模块在线测试功能,使产品具有高可靠性和完善的雷达故障诊断功能。增加系统的监控、检测及显示功能,并将各种工作状态信号都传输到主监控上,使系统的各种工作状态都能够在终端上显示,使操作人员通过终端界面便可以检查发射系统的各种工作参数,判断发射机的工作状态。在电磁兼容方面通过谐波滤波器对二次谐波的抑制,测试结果表明,发射系统输出信号的二次谐波小于等于-66dB。

GaN功率器件应用可靠性增长研究

GaN功率器件是雷达T/R组件或发射功放组件中的核心元器件,随着器件的输出功率和功率密度越来越高,器件的长期可靠性成为瓶颈。文章对雷达脉冲工作条件下GaN功率器件的失效机理进行了分析和研究,指出高漏源过冲电压、栅源电压的稳定性以及GaN管芯的沟道温度的高低是影响GaN功率器件长期应用可靠性的主要因素,同时给出了降低漏源过冲电压、提高栅源电压稳定性以及改善GaN管芯的沟道温度的措施和方法。

X波段GaN千瓦级功率放大器的设计

为满足新型雷达对千瓦级大功率放大器的需求,采用0.25μm GaN HEMT工艺研制了一款输出功率大于2000 W的X波段内匹配功率放大器。通过背势垒层结构与双场板结构提高器件击穿电压,使GaN HEMT管芯的工作电压达到60 V。通过负载牵引得到管芯最优阻抗,采用T型匹配网络和功率分配/合成器将管芯阻抗匹配到50Ω。在工作电压60 V、占空比1‰、脉宽5μs测试条件下,9.0~9.4 GHz频段内输出功率大于2000 W,最大功率密度达到10.4 W/mm,功率增益大于7 dB,功率附加效率大于37.2%。

低成本Si基GaN微电子学的新进展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。

低成本Si基GaN微电子学的新进展

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。

面向下一代GaN功率技术的超薄势垒AlGaN/GaN异质结功率器件

AlGaN/GaN异质结型功率电子器件具有高工作温度、高击穿电压、高电子迁移率等优点,在推动下一代功率器件小型化、智能化等方面具有很大的材料和系统优势。从5种实现增强型GaN基功率电子器件的方法入手,重点介绍了采用超薄势垒AlGaN(小于6 nm)/GaN异质结实现无需刻蚀AlGaN势垒层的GaN基增强型器件的物理机理和实现方法。同时介绍了在超薄势垒AlGaN/GaN异质结构上实现增强型/耗尽型绝缘栅高电子迁移率晶体管单片集成的研究进展,进一步论证了在大尺寸Si基AlGaN/GaN超薄势垒平台上同片集成射频功率放大器、整流二极管、功率三极管等器件的可行性,为Si基GaN射频器件、功率器件、驱动和控制电路的单片集成奠定了技术基础。

基于GaN器件的有源箝位双向反激变换器设计

文章针对氮化镓(Gallium Nitride,GaN)功率晶体管在双向DC-DC变换器中的应用进行设计。近年来,第三代宽禁带功率半导体器件GaN凭借其体积小、高频、高效率等优势,在电力电子应用中得到了广泛的关注。为实现双向DC-DC变换器在便携式小功率应用场景下的能量双向高效传输,设计了一种基于GaN器件的有源箝位双向反激变换器并对其性能进行了验证。详细地介绍和分析了变换器的工作原理、开关模态以及软开关实现条件,并对主电路参数进行设计。采用LTspice软件搭建仿真模型,仿真结果验证了该变换器在小功率应用下可实现开关管软开关性能。最后,设计了一个20 W的实验样机验证了所设计拓扑的准确性和有效性,结果表明该变换器较传统Si MOSFET器件具有更高的转换效率。