氮化镓HEMT在工业变频器上的应用研究

发布时间：2020-05-30 21:30

【摘要】：随着功率半导体行业的发展,新型材料氮化镓和碳化硅在功率半导体器件的技术已经日趋成熟,在最近几年的发展尤其迅速,一些以氮化镓为基材的二极管、MOSFET以及混合型的IGBT已经有成熟的产品投放市场。氮化镓材料其自身特性是具有更宽的禁带宽度,更高的临界击穿电场强度,和更高的饱和电子漂移速度等。相对于传统硅基材的半导体材料,氮化镓HEMT器件具有更低的导通电阻和更高的开关频率特性,可以运行在几百千赫兹甚至几兆赫兹的开关频率上。在工业变频器上使用新型半导体材料,其开关损耗更低,使得整机载波频率提升,这对于一些运动控制时需要更快的响应速度成为可能;另外一方面由于功耗下降,功率器件对于散热系统的要求降低,产品整机成本可以得到优化。本论文以氮化镓HEMT为功率开关器件来设计一款工业变频器,通过与传统硅基材的功率开关器件为核心的变频器作对比,着重关注器件在功率变换时的效率;另外一方面因为开关器件会产生较高的dv/dt,这会使得电机内部线圈的绝缘系统由于承受较高的振荡电压而被破坏,因此输出正弦波滤波器对于变频器驱动的电机是必要的,尤其对于输出电缆较长时线路寄生电容较大时影响更加明显,本论文也会对与不同频率响应的输出滤波器在整个变频器内部的影响作出对比;另外对于电磁兼容特性和整机成本也作出相应的对比,通过试验或者仿真的方法验证新型材料对于工业变频器上的积极意义。
【图文】：

6图 2.2 有氮化镓相关业务的公司 前市场上已有的功率器件产品分布情况如图 2.3 所示，主要集中在 650V 和 60由图中可以看出主要集中在低压 200V 以内和高压 600V 至 650V 上，这主要由决定，低压部分的器件主要用在低压电源的功率变换上，而高压主要应用与一0V 交流输入的应用场合，如适配器，充电器等。

图 2.3 市场上现有氮化镓功率器件的分布.3 耗尽型氮化镓 HEMT市场上众多的公司中，美国 Transphorm 公司是氮化镓功率半导体业务的国际厂家。其背后有由富士通、谷歌风投、索罗斯基金管理公司以及量子战略合作资助。该公司从 1994 开始，为市场提供出包括氮化镓材料和器件、制造、测等。ansphorm 公司的氮化镓 HEMT 器件提供了独特的产品内部结构。与普通的 的电流垂直流向不同，，氮化镓 HEMT 的电流是横向的，其背部需要衬底，目前 厚膜生长的异质衬底材料大致可以分为半导体和氧化物材料 , 主要有碳化硅蓝宝石(Al2O3)、铝酸锂 (LiAlO2)、砷化镓(GaAs)、硅(Si)等 。T 选择在硅衬底上面生长出氮化镓。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM921.51;TQ133.51

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