4H-SiC功率MOSFET的研究及升压转换应用

摘要

碳化硅(SiC)是近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料之一。SiC材料具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高功率密度等等许多优点。与GaN和金刚石等宽禁带半导体相比,SiC可以热氧化生成二氧化硅,使得SiC MOSFET器件和电路的实现成为可能。在高频和高压的开关电源领域,具有高开关速度、高反向击穿电压的4H-SiC MOSFET具有广阔的应用前景。
　　 为了减小由于离子注入后高温退火工艺造成的表面粗糙和P-base区离化受主杂质对反型层电子的散射,本文采用了一种新型的结构:将P-base区分成离子注入形成的P+层和采用外延工艺形成的P型层。本文利用器件数值仿真工具对该结构的4H-SiC MOSFET的反向击穿特性和导通电阻进行了研究,分析了击穿电压、比导通电阻与结构参数的关系,获得了1400V的击穿电压和7.3 mΩ·cm2的导通电阻。
　　 在器件直流仿真的基础上,分析了4H-SiC MOSFET和SBD的瞬态开关特性。设计了一个基于这两个开关器件的DC-DC Boost变换器,从器件仿真中提取这两个器件的端特性,代入上述电路中进行电路仿真。结果表明:工作频率为20kHz,输出电压为500V,输出电压纹波率为1％,功率传输效率为96.1％；4H-SiC MOSFET的开启损耗(turn-on loss)和关断损耗(turn-off loss)分别分别为1.3W和4.5W。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 SiC材料的基本特性

1.2 SiC功率MOSFET器件和应用电路的研究现状

1.2.1 SiC功率MOSFET的研究现状

1.2.2 SiC功率MOSFET的应用及电路仿真模型

1.3 本文主要研究工作

第二章 4H-SiC功率MOSFET结构及仿真模型

2.1 适用于SiC功率MOSFET的几种结构

2.2 ISE中4H-SiC MOSFET的物理模型及参数

2.2.1 ISE-TCAD仿真工具

2.2.2 主要的物理模型及参数

2.3 本章小结

第三章 4H-SiC功率MOSFET的设计

3.1 SiC MOSFET结构设计

3.1.1 器件结构

3.1.2 功率MOSFET导通电阻与击穿电压的关系

3.2 SiC功率MOSFET击穿特性模拟

3.2.1 p-base区掺杂与厚度的影响

3.2.2 JFET区宽度对击穿电压的影响

3.2.3 JFET区掺杂对击穿电压的影响

3.3 SiC MOSFET的电流-电压特性

3.3.1 SiC MOSFET的阈值电压

3.3.2 SiC MOSFET Ⅰ-Ⅴ特性

3.3.3 SiC MOSFET的导通电阻

3.4 本章小结

第四章 基于4H-SiC MOSFET的Boost变换器设计

4.1 开关电源电路基础

4.1.1 开关电源的概念

4.1.2 直流开关电源及其应用

4.1.3 三种基本的DC-DC变换器拓扑

4.2 SiC MOSFET和SBD的瞬态特性分析

4.2.1 SiC MOSFET的瞬态特性模拟

4.4.2 4H-SiC SBD的瞬态模拟仿真

4.3 基于SiC MOSFET和SBD的Boost Converter设计

4.3.1 DC-DC Boost Converter电路结构和在ISE-DESSIS中的表述

4.3.2 连续模式的Boost变换器设计

4.4 本章小结

第五章 研究总结

致谢

参考文献