共源共栅型氮化镓功率器件的特性与应用研究

发布时间：2020-11-13 21:01

　　 共源共栅级联(Cascode)型氮化镓(GaN)功率器件已经逐步商业化,并在耐压、开关性能、温度特性等方面显示出比传统的硅材料器件更为卓越的性能。但在驱动、振荡抑制、封装及可靠性等方面还存在一定的认知问题,在一定程度上影响了 Cascode型GaN功率器件的迅速推广和应用。为促进Cascode型GaN功率器件发挥其性能优势,实现对硅器件的替代,论文做了以下几点工作:论文首先介绍了 GaN功率器件的国内外发展和研究现状,以及GaN器件材料、结构以及静态电气特性。分析了共源共栅级联型和栅极增强(E-mode)型两种GaN器件结构各自的性能优势和不足。然后以大连芯冠科技有限公司的Cascode型GaN功率器件为主要研究对象,以双脉冲测试电路为背景,对Cascode型GaN功率器件的动态特性进行了详细分析,并搭建了仿真电路和实验平台进行验证。为更准确理解Cascode型GaN功率器件的开关过程,搭建了外部级联GaN功率器件,分析了开关过程中耗尽型GaN管与低压Si MOS管各自的开关行为,并且给出了各阶段的关键方程以及优于经典损耗计算方法的器件损耗计算模型。在开关过程中产生的电压电流振荡是影响其高频应用及可靠性的主要因素。论文研究了针对Cascode型GaN功率器件高速应用的驱动电路,并评估了磁珠对开关特性的影响。对开关过程和米勒平台阶段的振荡机理进行了分析,相应给出了具体的振荡抑制方法,主要包括:减小开关速度、减小共源寄生电感、选择合适的驱动电阻、优化布局和设计振荡吸收电路等。最后论文选取了同步Buck和全桥LLC谐振变换器作为Cascode型GaN功率器件应用特性的研究拓扑,并根据设计的参数利用原厂提供的Spice器件模型进行仿真验证,搭建了 Buck-2.5kW和全桥LLC-2kW两台样机,总结了 Cascode型GaN功率器件性能优势,并给出了具体的应用优化及解决方案。实验结果进一步表明了 Cascode型GaN功率器件的优异开关特性,可以适用于硬开关和软开关拓扑。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

ＧａＮ材料制作ＧａＮ器件外，还可以利用ＧａＮ所特有的异质结结构制作高性能器??件。ＧａＮ可以生长在Ｓｉ、ＳｉＣ和蓝宝石上，其中硅基氮化镓兼具硅的低成本效应以及氮??化镓的高频高功率特性，在硅基上面做氮化镓器件是目前重要的研究方向之一［１５］。??２００９年６月，美国宜普电源转换公司（ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，?ＥＰＣ）推出了第??一款增强型硅基ＧａＮ?ＨＥＭＴ。２０１０年，ＥＰＣ公司将产品更新换代，封装技术不断改进。??主推ＬＧＡ触点阵列封裝（也称裸片封装），如图１．１所示。２０１７年，ＥＰＣ公司推出比??同等级ＭＯＳ管小型化８倍的４０Ｖ氮化镓功率晶体管，最大导通电阻为５?ｍｆｌ。目前，??该公司ＧａＮ器件的最大耐压己扩展为４５０Ｖ，最大耐流为９０Ａ。公司产品主要应用于低??压场合（２００Ｖ以下），器件结构主要为ｐ型ＧａＮ栅增强型结构。??？?５５ｍｍ?？??〇?ｒ?ｎ?ｒ?ｎ??Ｉ?１．?３６ｍｍ??图１?ＥＰＣ公司典型ＧａＮ器件封装图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＧａＮ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｐａｃｋａｇｅ?ｆｒｏｍ?ＥＰＣ??２０１２年，美国Ｔｒａｎｓｐｈｏｒｍ公司使ＧａＮ功率器件在电力电子功率半导体方面第一次??开始商业化。产品以Ｃａｓｃｏｄｅ型ＧａＮ功率器件为主，是Ｃａｓｃｏｄｅ型解决方案的标杆企业。??２０１７年，推出首款９００Ｖ器件ＴＰ９０Ｈ１８０ＰＳ（ＴＯ－２２０封装，典型导通电阻为１７０ｍｎ）??获得ＪＥＤＥＣ认证。该公司产品主要有６５０Ｖ和９００Ｖ两个系列，器件封装方面主要以传??统的ＴＯ－２２０和ＴＯ－２４７为主，近年也推出了?ＰＱＦＮ和ＱＦＮ封装以减小封装寄生电感。??

大连海事大学硕士学位论文??（??管技术，该技术下器件的阈值电压将提高到４．０Ｖ，可以提高其抗噪能力和器件性能，无??需负栅极驱动，并且相比上代产品降低整体成本。?１；??加拿大ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司于２０１４将自己的部分氮化镓器件推向市场，并和台积电??合作推出了自己特有的ＧａＮＰＸ？封装，如图１．２所示。：Ｓｙｓｔｅｍｓ公司主要产品有１００Ｖ和??６５０Ｖ两种耐压规格。该公司采用元胞岛技术替代传统的叉痒状布局，提高了电流密度，??耐流己达到１５０Ａ，目前是Ｅ－ｍｏｄｅ型ＧａＮ器件的代奉企业。??？?ｔ?ｖ；??’?ｔ?？’?：？?！?ｊ??鼹［ＩＪＭ??图１．?２?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司典型ＧａＮ器彳中封装图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＧａＮ?ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ｆｒｏｍ?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ??成立于２０１４年的美国纳微（Ｎａｖｉｔａｓ）．半导体依靠其特有的ＧａＮ集成ＩＣ技术路线，??近两年异军突起。与其他ＧａＮ器件公司不同，Ｎａｖｉｔａｓ主要面向对功率密度要求较高的??小功率场合（典型如手机适配器）。该公司将驱动电路和ＧａＮ器件进行单片集成，减??少了产品设计人员的工作量，使其产品能够快速投入应用。另一方面也优化了驱动布局，??其允许最大工作频率为２ＭＨｚ，封装和电气符号如图１．３所示。２０２０年２月，小米公司??最新发布的Ｍｉ?１０和Ｍｉ?１０?Ｐｒｏ适配器采用的就是该公司解决方案，６５Ｗ规格的适配器??功率密度高达１９．９５Ｗ／ｉｎ３。??图１．?３?Ｎａｖｉｔａｓ公司器件封装及电气符号??Ｆｉｇ．?１．３?Ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ａｎｄ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ

大连海事大学硕士学位论文??（??管技术，该技术下器件的阈值电压将提高到４．０Ｖ，可以提高其抗噪能力和器件性能，无??需负栅极驱动，并且相比上代产品降低整体成本。?１；??加拿大ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司于２０１４将自己的部分氮化镓器件推向市场，并和台积电??合作推出了自己特有的ＧａＮＰＸ？封装，如图１．２所示。：Ｓｙｓｔｅｍｓ公司主要产品有１００Ｖ和??６５０Ｖ两种耐压规格。该公司采用元胞岛技术替代传统的叉痒状布局，提高了电流密度，??耐流己达到１５０Ａ，目前是Ｅ－ｍｏｄｅ型ＧａＮ器件的代奉企业。??？?ｔ?ｖ；??’?ｔ?？’?：？?！?ｊ??鼹［ＩＪＭ??图１．?２?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司典型ＧａＮ器彳中封装图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＧａＮ?ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ｆｒｏｍ?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ??成立于２０１４年的美国纳微（Ｎａｖｉｔａｓ）．半导体依靠其特有的ＧａＮ集成ＩＣ技术路线，??近两年异军突起。与其他ＧａＮ器件公司不同，Ｎａｖｉｔａｓ主要面向对功率密度要求较高的??小功率场合（典型如手机适配器）。该公司将驱动电路和ＧａＮ器件进行单片集成，减??少了产品设计人员的工作量，使其产品能够快速投入应用。另一方面也优化了驱动布局，??其允许最大工作频率为２ＭＨｚ，封装和电气符号如图１．３所示。２０２０年２月，小米公司??最新发布的Ｍｉ?１０和Ｍｉ?１０?Ｐｒｏ适配器采用的就是该公司解决方案，６５Ｗ规格的适配器??功率密度高达１９．９５Ｗ／ｉｎ３。??图１．?３?Ｎａｖｉｔａｓ公司器件封装及电气符号??Ｆｉｇ．?１．３?Ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ａｎｄ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ
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