宽禁带半导体器件的PSpice电路建模与应用
发布时间：2021-08-03 23:54
为了满足电力电子装置高频、高效和高功率密度的需求,宽禁带半导体器件越来越多地应用在电力电子系统中。为了更好地研究宽禁带半导体器件的电气特性,在应用中更好地发挥其性能优势,并且为电力电子系统的分析和设计提供仿真分析手段,亟待对宽禁带半导体器件建立相应的仿真模型,尤其是电力电子系统中应用较多的氮化镓高电子迁移率晶体管（Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor,GaN HEMT）和碳化硅金氧半场效晶体管（Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET）。针对现有 GaN HEMT和SiC MOSFET模型在复杂电路中仿真容易出现不收敛的问题,本文对GaN HEMT和SiC MOSFET的PSpice电路建模进行了详细研究。首先对GaN HEMT进行了 PSpice电路建模,以EPC公司的一款GaN HEMT（EPC2010）为例,使用非分段、连续可导的方程对模型进行了定义,建立了 GaN HEMT的非分段模型。通过PSpice仿真...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＧａＮ、ＳｉＣ材料与Ｓｉ材料的特性对比??Ｆｉｇ．１－１?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ?ｏｆ?ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ＧａＮ，?ＳｉＣ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ａｎｄ?Ｓｉ?ｍａｔｅｒｉａｌ??
结型场效应晶体管（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ?Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ?Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＪＦＥＴ）和ＳｉＣ功率模块等。目前??国内外大约有２５家厂商可以提供ＳｉＣ器件，其中有２１家厂商可提供ＳｉＣ二极管，??１０家厂商可提供ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ，１８家厂商可提供ＳｉＣ功率模块，如图１－２所示??其中国内的ＳｉＣ功率器件厂家有８家，包括湖南株洲的中国中车株洲所，深圳的??基本半导体，北京的世纪金光、ＷｅＥｎ和泰科天润，浙江嘉兴的ＳｔａｒＰｏｗｅｒ，江苏??扬州的扬杰科技，台湾的ＣｏｍＣｈｉｐ。??ＳｉＣ二极管?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ?ＳｉＣ功率模块??ＣＲＥＥＴｒｙＳ＾！?ＣＲＥＥ＾?ＣＲ￡＾?ｑ?ｅ??（ｊｎｆｉｎｅｏｎ?＆ｊｕｉｉｎｉ？？?（ｆｉｆｉｎｅｏｎ??ｐｐｐｉ?ｄｉｘｙｓ??ｌ９??Ａ酿證１龜…?口ＩＸＹＳ?＂ａｗｉ＊??广??，二一?Ｉ?■?ＣＩＳＳＯＩＯ??＾Ｔ／?參Ｊｌｊ／?ｋｙｆ??｜｜?ＣＩＳＳＯＩＤ?＊?Ｃｊｌ??ＣｏｍｄＴｉｐ?Ａｆｃｎａｗｒｔ?粑富備??－—【？】?＿?ｃｉｓｓｏｉｄ?ｓ＾ｍｍｒ??＾－．１１?■？卜＿、一??图１－２?ＳｉＣ功率器件部分生产厂家??Ｆｉｇ．?１－２?Ｐａｒｔ?ｏｆ?ＳｉＣ?ｐｏｗｅｒ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ??由于材料特性和结构的特殊性，ＧａＮ器件起步相比ＳｉＣ器件要晚很多，目前??己经实现商业化的功率器件主要是ＧａＮ高电子迁移率晶体管（Ｈｉｇｈ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ??Ｍｏｂｉｌｉｔｙ?Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，?ＨＥＭＴ）。ＧａＮ?ＨＥＭＴ可分为耗尽型和增强型两种，耗尽型ＧａＮ??ＨＥＭＴ由于自发极化效应形成二维电子气
＿ｓｉ等于ＧａＮ?ＨＥＭＴ的－Ｆｇｓ＿ＧａＮ，从而提供必要的负偏压??以实现Ｃａｓｃｏｄｅ－ｍｏｄｅ?ＧａＮ?ＨＥＭＴ的关断如图１－３所示。??漏极??＿及??ＪＧａＮ?：?ＬＪ??，，ＥＭＴｉｒｄｔ??栅极?〇￣Ｉ??＇源极?ＭＯＳＦＥＴ丨?１?Ｏ源极??（ａ）?Ｅ－ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｃａｓｃｏｄｅ－ｍｏｄｅ??图１－３?ＧａＮ?ＨＥＭＴ结构示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ＧａＮ?ＨＥＭＴ??目前商业化的增强型ＧａＮ?ＨＥＭＴ主要包括单体器件、单体器件＋驱动器和半??桥模块三种类型，国内外大约有８家厂商可以提供ＧａＮ功率器件，如图１－４所示。??国内目前能够提供ＧａＮ器件的厂商只有苏州能讯高能半导体有限公司，但是都是??射频类型的ＧａＮ器件，适合ＬＴＥ、４Ｇ、５Ｇ等移动通信的超宽带功放应用。??单体器件?单体器件＋驱动器?半桥模块??ｌｌｉＰＣ．??ＩｆｅＸＡＳ?Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ?＾?ＴｆｅｘＡＳ?Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ??丨ｍ??Ａ?ＶｉｓＩＣ＾Ｐ?Ｖｉｓｉ〔４｜Ｐ??＾ＩｎｆｉｎＣＯｎ?ｌｅ（．丨，叩丨叩朽?Ｔ？．ｈｎｏｌｏｇｔｉ？ｓ??ｐｍｍｍｏｎｋｉ?＜￡）?Ｎａｖｉｔａｓ?？?Ｎａｖｉｔａｓ??图１－４?ＧａＮ功率器件部分生产厂家??Ｆｉｇ．?１－４?Ｐａｒｔ?ｏｆ?ＧａＮ?ｐｏｗｅｒ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ??１．２宽禁带器件建模研究现状??随着ＧａＮ和ＳｉＣ功率器件越来越多地应用在电力电子电路中，需要对他们的??特性进行研究，使其更好地发挥性能优势，并且为电路的分析和设计提供一定的??参考
【参考文献】：
期刊论文
[1]第三代半导体带来的机遇与挑战[J]. 林佳,黄浩生. 集成电路应用. 2017(12)
[2]压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取[J]. 刘盛福,常垚,李武华,杨欢,赵荣祥. 电工技术学报. 2017(22)
[3]碳化硅MOSFET行为建模方法[J]. 吴宇鹰,江添洋,孔祥龙,罗成. 电力电子技术. 2017(09)
[4]1200V/36 A SiC MOSFET短路特性的实验研究[J]. 魏昌俊,孙鹏,柯俊吉,赵志斌,杨霏. 智能电网. 2017(08)
[5]SiC MOSFET短路特性评估及其温度依赖性模型[J]. 邵伟华,冉立,曾正,李晓玲,侯旭,陈昊,李辉. 中国电机工程学报. 2018(07)
[6]寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响[J]. 范春丽,余成龙,龙觉敏,赵朝会. 上海电机学院学报. 2015(04)
[7]Cascode型GaN HEMT输出伏安特性及其在单相逆变器中的应用研究[J]. 李艳,张雅静,黄波,郑琼林,郭希铮. 电工技术学报. 2015(14)
[8]基于PSpice的碳化硅MOSFET的建模与仿真[J]. 徐国林,朱夏飞,刘先正,温家良,赵志斌. 智能电网. 2015(06)
[9]第3代半导体电力电子功率器件和产业发展趋势[J]. 何志. 新材料产业. 2014(03)
[10]基于OrCAD的电力电子仿真教学探索[J]. 周彬. 产业与科技论坛. 2014(03)
本文编号：3320567
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＧａＮ、ＳｉＣ材料与Ｓｉ材料的特性对比??Ｆｉｇ．１－１?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ?ｏｆ?ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ＧａＮ，?ＳｉＣ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ａｎｄ?Ｓｉ?ｍａｔｅｒｉａｌ??
结型场效应晶体管（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ?Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ?Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＪＦＥＴ）和ＳｉＣ功率模块等。目前??国内外大约有２５家厂商可以提供ＳｉＣ器件，其中有２１家厂商可提供ＳｉＣ二极管，??１０家厂商可提供ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ，１８家厂商可提供ＳｉＣ功率模块，如图１－２所示??其中国内的ＳｉＣ功率器件厂家有８家，包括湖南株洲的中国中车株洲所，深圳的??基本半导体，北京的世纪金光、ＷｅＥｎ和泰科天润，浙江嘉兴的ＳｔａｒＰｏｗｅｒ，江苏??扬州的扬杰科技，台湾的ＣｏｍＣｈｉｐ。??ＳｉＣ二极管?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ?ＳｉＣ功率模块??ＣＲＥＥＴｒｙＳ＾！?ＣＲＥＥ＾?ＣＲ￡＾?ｑ?ｅ??（ｊｎｆｉｎｅｏｎ?＆ｊｕｉｉｎｉ？？?（ｆｉｆｉｎｅｏｎ??ｐｐｐｉ?ｄｉｘｙｓ??ｌ９??Ａ酿證１龜…?口ＩＸＹＳ?＂ａｗｉ＊??广??，二一?Ｉ?■?ＣＩＳＳＯＩＯ??＾Ｔ／?參Ｊｌｊ／?ｋｙｆ??｜｜?ＣＩＳＳＯＩＤ?＊?Ｃｊｌ??ＣｏｍｄＴｉｐ?Ａｆｃｎａｗｒｔ?粑富備??－—【？】?＿?ｃｉｓｓｏｉｄ?ｓ＾ｍｍｒ??＾－．１１?■？卜＿、一??图１－２?ＳｉＣ功率器件部分生产厂家??Ｆｉｇ．?１－２?Ｐａｒｔ?ｏｆ?ＳｉＣ?ｐｏｗｅｒ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ??由于材料特性和结构的特殊性，ＧａＮ器件起步相比ＳｉＣ器件要晚很多，目前??己经实现商业化的功率器件主要是ＧａＮ高电子迁移率晶体管（Ｈｉｇｈ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ??Ｍｏｂｉｌｉｔｙ?Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，?ＨＥＭＴ）。ＧａＮ?ＨＥＭＴ可分为耗尽型和增强型两种，耗尽型ＧａＮ??ＨＥＭＴ由于自发极化效应形成二维电子气
＿ｓｉ等于ＧａＮ?ＨＥＭＴ的－Ｆｇｓ＿ＧａＮ，从而提供必要的负偏压??以实现Ｃａｓｃｏｄｅ－ｍｏｄｅ?ＧａＮ?ＨＥＭＴ的关断如图１－３所示。??漏极??＿及??ＪＧａＮ?：?ＬＪ??，，ＥＭＴｉｒｄｔ??栅极?〇￣Ｉ??＇源极?ＭＯＳＦＥＴ丨?１?Ｏ源极??（ａ）?Ｅ－ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｃａｓｃｏｄｅ－ｍｏｄｅ??图１－３?ＧａＮ?ＨＥＭＴ结构示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ＧａＮ?ＨＥＭＴ??目前商业化的增强型ＧａＮ?ＨＥＭＴ主要包括单体器件、单体器件＋驱动器和半??桥模块三种类型，国内外大约有８家厂商可以提供ＧａＮ功率器件，如图１－４所示。??国内目前能够提供ＧａＮ器件的厂商只有苏州能讯高能半导体有限公司，但是都是??射频类型的ＧａＮ器件，适合ＬＴＥ、４Ｇ、５Ｇ等移动通信的超宽带功放应用。??单体器件?单体器件＋驱动器?半桥模块??ｌｌｉＰＣ．??ＩｆｅＸＡＳ?Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ?＾?ＴｆｅｘＡＳ?Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ??丨ｍ??Ａ?ＶｉｓＩＣ＾Ｐ?Ｖｉｓｉ〔４｜Ｐ??＾ＩｎｆｉｎＣＯｎ?ｌｅ（．丨，叩丨叩朽?Ｔ？．ｈｎｏｌｏｇｔｉ？ｓ??ｐｍｍｍｏｎｋｉ?＜￡）?Ｎａｖｉｔａｓ?？?Ｎａｖｉｔａｓ??图１－４?ＧａＮ功率器件部分生产厂家??Ｆｉｇ．?１－４?Ｐａｒｔ?ｏｆ?ＧａＮ?ｐｏｗｅｒ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ??１．２宽禁带器件建模研究现状??随着ＧａＮ和ＳｉＣ功率器件越来越多地应用在电力电子电路中，需要对他们的??特性进行研究，使其更好地发挥性能优势，并且为电路的分析和设计提供一定的??参考
【参考文献】：
期刊论文
[1]第三代半导体带来的机遇与挑战[J]. 林佳,黄浩生. 集成电路应用. 2017(12)
[2]压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取[J]. 刘盛福,常垚,李武华,杨欢,赵荣祥. 电工技术学报. 2017(22)
[3]碳化硅MOSFET行为建模方法[J]. 吴宇鹰,江添洋,孔祥龙,罗成. 电力电子技术. 2017(09)
[4]1200V/36 A SiC MOSFET短路特性的实验研究[J]. 魏昌俊,孙鹏,柯俊吉,赵志斌,杨霏. 智能电网. 2017(08)
[5]SiC MOSFET短路特性评估及其温度依赖性模型[J]. 邵伟华,冉立,曾正,李晓玲,侯旭,陈昊,李辉. 中国电机工程学报. 2018(07)
[6]寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响[J]. 范春丽,余成龙,龙觉敏,赵朝会. 上海电机学院学报. 2015(04)
[7]Cascode型GaN HEMT输出伏安特性及其在单相逆变器中的应用研究[J]. 李艳,张雅静,黄波,郑琼林,郭希铮. 电工技术学报. 2015(14)
[8]基于PSpice的碳化硅MOSFET的建模与仿真[J]. 徐国林,朱夏飞,刘先正,温家良,赵志斌. 智能电网. 2015(06)
[9]第3代半导体电力电子功率器件和产业发展趋势[J]. 何志. 新材料产业. 2014(03)
[10]基于OrCAD的电力电子仿真教学探索[J]. 周彬. 产业与科技论坛. 2014(03)
本文编号：3320567
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