基于宽禁带半导体GaN器件的全固态射频电源研究

发布时间：2020-10-21 03:35

　　 基于硅材料研制的功率器件受到硅材料禁带宽度的限制,其性能越来越难以满足固态射频电源高工作频率、高效率和高功率密度的要求。宽禁带半导体材料氮化镓(Gallium Nitride,GaN)具有比硅材料更优异的物理特性,其研制的功率器件具有更低的导通电阻、更小的输入输出电容等特性。这些特性一方面使得GaN器件具有更快的开关速度,开关频率越高,系统中的无源器件(如电容、电感及变压器)的体积会大幅度减小,从而使得固态射频电源系统的整体体积减小;另一方面可以减小功率器件的损耗,从而简化甚至省去散热装置,减小系统的体积。因此GaN功率器件更适合应用于固态射频电源系统,提高系统的整机效率和功率密度。本文主要研究使用GaN功率器件来设计制作全固态射频电源。首先具体分析了GaN半导体材料的物理特性、GaN器件的性能及其应用于高频功率变换器中的优势。采用E类功率变换器拓扑结构,使用Transphorm公司的共源共栅极结构的GaN器件TPH3202PD作为功率开关器件,按照设计要求推导计算出各功能电路模块的元器件参数,为设计方案的仿真和样机制作奠定了理论基础。然后使用PSPICE对基于TPH3202PD器件的固态射频电源主电路系统进行仿真分析,优化仿真电路参数达到了设计指标,从而验证了方案的可行性。根据仿真结果设计制作了一款开关频率为4 MHz,功率可调的全固态射频电源实验样机,通过对样机的调试和优化,样机的效率达到了96.9%,功率密度可达到227.8×10~(-3) W/cm~3。同时,将两台基于GaN器件制作的样机通过功率合成的方法,解决了单个固态射频电源模块的输出功率无法满足大功率需求的场合。其次,采用相同的电路拓扑结构,使用IXYS公司的RF Si MOSFET器件IXFH6N100F进行了对比实验研究。在相同的工作条件下,基于IXFH6N100F器件制作的样机的效率为78.5%,功率密度为71.3×10~(-3) W/cm~3,从而验证了GaN器件可大幅度提高固态射频电源的效率和功率密度。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304;TN86
【部分图文】：

高[4]。态射频电源使用的高频晶体管大部分是基于Si半导体材到其材料的理论极限，如图 1.1 所示，越来越难以满足求，而GaN器件则表现出很好的理论极限。从图中可以极限远远优于Si MOSFET器件；且相同耐压等级的Si M，GaN晶体管的通态比电阻也远远小于Si MOSFET器更低的导通电阻，大幅度减小导通损耗，提高电源的结MOSFET器件已经超过其材料的理论极限，其通态

OSFET 器件结构对比 器件结构道增强型 Si MOSFET 器件的结是 P 型 Si 半导体薄片，其掺杂N+区是利用扩散的方法形成的。2）绝缘层，并在 SiO2的表面及 G）、源极（S）和漏极（D）。正向电压Vgs，则栅极和 P 型 Si 片用下，SiO2绝缘层中便产生了由电场，强度为 105~106V/cm 数量移动的负离子，从而形成了漏-源

GaN 功率器件将被构建是 AlGaN 层，ALGaN 和 GaN 材料GaN 异质结接触面处半导体材料能移，AlGaN 失去电子而形成耗尽层N 的电子势能较低，会束缚电子、料一侧形成存在自由电子的势阱区电子气（Two Dimensional Electron束，只能在平行于异质结接触面的进入了 GaN，不再受到电离杂质散具有高电子迁移率的 2DEG 可以在从而构成 GaN 器件的导电沟道，控制 GaN 器件的导通和关断[43]。
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本文编号：2849583