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。

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。

K波段GaN大功率开关芯片的设计与实现

为分析氮化镓(Gallium Nitride,GaN)开关芯片的功率压缩机理,基于0.15μm GaN pHEMT工艺技术,采用了有效的电路拓扑,设计并实现了一款可应用于K波段的GaN大功率开关芯片。测试结果表明,该大功率开关芯片在18~22 GHz的频率范围,0.1 dB输入压缩的功率点可达到连续波12 W,开关插损1.1 dB,隔离度32 dB。控制电压为0 V和-28 V这2个互补电平,芯片尺寸为1.90 mm×1.50 mm×0.08 mm,满足实际工程应用的需求。

宽带GaN大功率单刀双掷开关设计

设计了一款基于MMIC工艺的宽带GaN大功率单刀双掷开关芯片,该款GaN开关芯片电路采用一个串管两并管的结构。在小信号开关芯片设计的基础上,利用了功率开关容量的理论公式,并结合电路仿真以及电磁场仿真,辅之以DOE(Design of experiment)方法设计。开关芯片实测结果表明:在DC-12GHz频带内,插入损耗<1.2dB,隔离度>40dB,P-0.1>44dBm,体积仅为1.8mm×1.0mm×0.1mm。

GaN功率开关器件研究现状

第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子迁移率、高饱和电子漂移速度等优良特性,基于GaN材料的功率开关器件在高速、大功率领域具有广阔的应用前景。概述了GaN功率开关器件的研究现状及最新进展。从材料外延与器件结构切入,详细介绍了Si基GaN外延晶圆、自支撑GaN垂直结构场效应晶体管(FET)器件和增强型GaN功率器件的实现方法、结构设计及制备工艺研究等GaN功率器件热门研究方向。讨论了GaN功率开关器件面临的挑战。最后对Si基GaN外延晶圆、增强型GaN功率开关器件产业化等发展趋势进行了分析与展望。

GaN HEMT工艺的X波段发射前端多功能MMIC

采用0.25μm Ga N HEMT工艺,研制了一款X波段发射前端多功能MMIC,片上集成了一个单刀双掷(SPDT)开关和一个功率放大器电路。其中SPDT开关采用对称的两路双器件并联结构,功率放大器采用三级放大拓扑结构设计,电路采用电抗匹配方式兼顾输出功率和效率。测试结果表明,在8~12 GHz频带内,芯片发射通道饱和输出功率为38.6~40.2 d Bm,功率附加效率为29%~34.5%,其中开关插入损耗约为0.8 d B,隔离度优于-45d B。该芯片面积为4 mm×2.1 mm。

GaN组合开关电路及其驱动技术研究

基于氮化镓的高电子迁移率场效应晶体管(GaN HEMT)具有电子迁移率高、耐高温和极低的寄生电容等诸多特点而成为开关变换器领域关注的焦点。限于目前的制造工艺,基于氮化镓材料的MOS开关器件更容易做成耗尽型,针对耗尽型GaN HEMT器件的负电压关断特性,结合其应用于开关变换器的上电短路问题,提出一种GaN HEMT器件与增强型MOSFET的组合开关电路,可实现对耗尽型GaN HEMT器件的开、关控制及可靠关断,但其关断速度不够快。为此,提出一种快速关断GaN HEMT器件的驱动电路,并得到了进一步提高GaN HEMT器件开关速度的改进电路,可实现对耗尽型GaN HEMT器件快速可靠关断。实例及实验结果验证了所提出电路的可行性。

半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术

测试半导体GaN功率开关器件灵敏度对掌握器件性能具有重要意义,提出一种新型半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。通过分析半导体GaN功率开关器件的导通电阻与击穿电压关系、空穴电流与栅极电流关系,掌握功率开关器件击穿机理,在此基础上,测试其灵敏度;根据灵敏度测试原理与微频通道衰减值周期检查原理,测量功率开关器件微频信号功率和微频通道衰减值,汇总微频通道衰减值和最后1次开关灵敏时的衰减值,得到其灵敏度。实验结果表明:所提测试技术在测量灵敏度过程中,平均测试误差为0.044 dB,仅平均花费9.61 ms,是一种高效、可靠的半导体GaN功率开关器件灵敏度测试技术。

半导体GaN功率开关器件的结构改进

因氮化镓GaN(gallium nitride)材料自身的物理性质优势,该材料更适用于高温且大功率电子器件的制作。但目前GaN材料制作的功率开关器件存在反向饱和漏电现象,业界一直以进一步发挥GaN性能为目的展开研究,GaN材料的全面实用化应用也面临着性能稳定性的挑战。为此,提出一种新的半导体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的问题。改进结构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;改进器件的制作主要采用隔离、钝化、凹槽刻蚀和介质淀积等工艺,更好地实现了功率开关和功率转换功能。经仿真结果的分析可知:改进结构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,高温性能良好。

基于GaN的图腾柱PFC电流过零点问题的研究

在连续导通模式下,图腾柱无桥拓扑结构功率因数校正器(PFC)的损耗非常大,导致拓扑结构的效率降低,在输入电压过零点处电流容易发生畸变。针对此问题,提出了一种改进的过零点控制方法。将输入电压过零时段划分为两个控制阶段,即高频桥臂主开关管完成软启动,采用双极控制方法有效校正输入电流,使其跟随输入电压。搭建一台1 kW实验样机,并利用DSP开发板进行实验验证。测试结果表明,当开关频率为100 kHz时,功率因数为0.99,PFC模块效率最大可达98.5%,总谐波失真在输出功率大于200 W时小于3%。

一种GaN半桥驱动器电平移位电路设计

GaN半桥输出点电压在死区时间为负值,给GaN功率器件栅极驱动电路信号通信带来了挑战。通过研究驱动器电平移位锁存电路工作状态与半桥功率级输出节点电压跳变、死区时间负压之间的相互影响,设计了一种新型的零静态功耗电平移位电路及其误触发消除电路。电路采用100 V BCD 0.18μm工艺设计,在输入电压100 V、开关频率5 MHz的GaN半桥变换器中对版图进行了后仿真。仿真结果表明,当半桥功率级输出节点分别为-3 V和100 V时,延时为4.5 ns和1.5 ns。

基于GaN与SMC的高功率开关电源硬件加速设计

近年来开关电源领域兴起的氮化镓(Gallium Nitride)类开关器件对电路控制算法产生了高速瞬态响应的要求,快速di/dt将引起电路失调等问题,研究发现大量文献基于滑模控制算法(Sliding Mode Control,SMC)的非连续控制特性完成了低频低功率开关电源针对Si的SMC设计,而GaN的中频高功率开关电源控制算法因为材料问题导致高频控制较难实现。因此针对GaN并通过改进算法增强电路瞬态响应与鲁棒性,减小代码存储体积。使用Simulink进行理论验证,嵌入式联调后进行算法与特殊DPWM模块的硬件加速设计,设计面积48 cm^(2),电路元器件数量与参数减小,电路使用寿命增加,密勒效应点降低2.5 V,硬件单元综合面积仅有63.3Kcells,DPWM控制波形在50 MHz主频下100 kHz至500 kHz可调,最高响应为1.05 MHz,最大输出功率为400 W,电源噪声为±0.8%。

GaN数字功率放大器技术进展

峰均比的持续增大使得无线通讯终端需要更高功率、更高效率、更高频率的功率放大器,而现有模拟功放作为基站全数字化最后一道屏障,其效率和输出功率不足以满足现在无线通讯的需求。GaN数字功率放大器作为一种工作在开关状态的数字功放,具备高输出功率、高速、高效率的优势,是实现全数字化基站的关键之一。GaN数字功放在高峰均比输入时仍能以较高效率工作,从而弥补模拟功放在高峰均比输入时效率下降的不足。文章简述了GaN数字功率放大器的工作原理,总结了近期国内外技术进展及其面临的挑战,阐述了未来GaN数字功率放大器的发展和优化方向。

GaN基功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

GaN基功率电子器件因其具有开关速度快、开关频率高、工作结温高、通态电阻小、开关损耗低等优势,适合应用于新型高效、大功率等的电力电子系统。国内关于GaN基功率电子器件的研究已经取得了较为明显的进展,但与发达国家相比仍有一定的差距。为此,《电源学报》特别推出了“GaN基功率电子器件及其应用”专辑,基本涵盖GaN功率电子器件及其应用研究的热点问题,展示了不同研究机构和企业在该领域的研发现状,具有良好的学术研究和应用参考价值。

Ku波段GaN大功率单刀双掷开关设计

基于开关器件的基本工作原理和设计方法,设计了一款Ga N大功率Ku波段单刀双掷(SPDT)开关,并着重讨论了Ga N大功率开关的耐功率能力。经制作得到不同栅指数、不同单指栅宽的Ga N开关器件,测试了其基本性能,并比较了开关器件在Ga N工艺与Ga As工艺下的性能差别。Ku波段SPDT开关实测S参数表明,插入损耗小于0.9 d B,隔离度大于27 d B,同时能够承受10 W的连续波输入功率;适当牺牲耐功率能力可提升小信号的性能。这款开关可搭配Ga N功率放大器与低噪声放大器用于收发组件前端。其尺寸仅有2.0 mm×1.4 mm,满足系统小型化的需求。

X波段GaN基小相位移相器设计

基于0.25μm GaN HEMT工艺,设计并制作了X波段11.25°和22.5°的小相位移相器单片微波集成电路（MMIC）,两个移相器单元均采用低通开关滤波型拓扑结构。最终芯片面积分别为0.9 mm×1.05 mm和0.95 mm×1.05 mm。芯片测试结果表明,两个小相位移相器性能良好,且测试结果与仿真结果吻合。在8~12 GHz频带内,11.25°和22.5°移相器电路的相移精度小于2.8°,输入回波损耗分别优于-15和-12 dB,插入损耗值分别小于1和1.5 dB,幅度波动分别小于0.8和1.3 dB。两个移相器电路的1 dB压缩点输入功率均大于36 dBm,其功率容限优于GaAs HEMT设计的移相器。结果表明,所设计的移相器具有优异的相移精度以及良好的功率性能,可广泛应用于高精度和大功率的雷达系统中。

基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器的设计与仿真

介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC变换器作为高功率转换系统的主要电路。DC/DC变换器使用基于氮化镓(GaN)的功率开关器件。对10 kWGaN大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行了优化、参数化和分析,并通过仿真和实验验证了其有效性。它由使用新型的GaN晶体管组成的两个单相全桥电路、两个输入/输出电感和一个高频变压器组成。变压器在实现两个全桥变换器之间的电气隔离方面起着至关重要的作用。使用MATLAB仿真软件对10 kW的变换器进行了建模。MATLAB仿真结果验证了变换器的性能适合于高功率应用并能实现轻负载条件下的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。然后,设计了一个10 kW的实验原型,以验证所设计拓扑的有效性。

一种基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器

本文介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC变换器。DC/DC转换器使用基于氮化镓(GaN)的功率开关器件。本文对10 kW GaN大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行了优化,参数化和分析,并通过仿真和验证了其有效性。它由两个单相全桥电路、两个输入输出电感和一个高频变压器组成。高频变压器在实现两个全桥变换器之间的电流隔离方面起着至关重要的作用。使用MATLAB仿真软件对10 kW的变换器进行了建模。MATLAB仿真结果验证了变换器的性能适合于高功率应用并能实现轻负载条件下的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。然后,设计了一个7 kW的实验原型,以验证所设计拓扑的有效性。

基于GaN器件的半桥式固态射频电源应用研究

随着电力电子行业的发展,射频电源对高效率、轻量化的要求逐渐提高。硅(Si)材料的理论极限,约束了Si功率器件在高频、高压及大功率等场所的应用。基于氮化镓(GaN)半导体材料制备的功率器件与Si器件相比,具有导通阻抗低、输入输出电容小等特性。基于这些特性,采用GaN管设计制作了一款开关频率为2 MHz的半桥式固态射频电源样机。通过电路的设计和优化,样机输出2 MHz的标准正弦波。样机的输出功率为14.9 W时,效率可达到95.5%,功率密度可达到78.9×10-3W/cm3。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,验证了GaN器件与Si器件相比,可大幅度提高半桥式固态射频电源的整机效率和功率密度。