宽禁带功率半导体器件损耗研究

摘要

与传统硅(Si)功率器件相比，宽禁带功率半导体器件有很多出色的性能，其中碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件应用越来越广泛，有可能在未来全面替代Si功率器件而成为下一代功率半导体器件。目前对宽禁带功率半导体器件性能的研究还不够完善，不同器件制造商所提供器件手册的测试条件各异，一些器件特性数据未提供，无法在相同测试条件下对GaN、SiC、Si三种材料的功率器件进行特性分析和比较。宽禁带功率半导体器件应用中最大的挑战是高速开关下寄生参数对器件特性的影响更加显著，为了分析寄生参数对开关特性的影响需要建立宽禁带半导体器件解析模型，而目前高耐压GaN功率晶体管中采用的共栅共源结构解析模型研究还很不成熟。
　　本文从器件损耗的角度，在不同条件下对SiC MOSFET、GaN功率晶体管及Si功率器件做详细的测试、比较和分析。文中首先测试了不同驱动电压、驱动电阻、电流、温度下SiC MOSFET、GaN功率晶体管及Si功率器件的导通特性和开关特性，并进行导通损耗和开关损耗计算，对宽禁带功率半导体器件损耗随着驱动电压、驱动电阻、电流、温度的变化规律进行了分析。然后在逆变器应用中对不同器件工作状态进行分析进而对器件整体损耗进行仿真计算及实验。此外，GaN功率晶体管存在反并二极管关断时的电压尖刺过高，阈值电压低且驱动回路易受干扰的问题，本文给出了应用中的注意事项。最后，本文针对共栅共源结构GaN功率晶体管进行开关过程分析及建模，考虑了共栅共源结构中PCB和引线寄生电感以及器件结电容，计算得出共栅共源结构GaN功率器件开关过程中电压电流时域表达式，得到开关过程波形及损耗，模型与实验结果较吻合。

目录

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 宽禁带功率半导体器件的性能特点

1．2 宽禁带功率半导体器件结构

1．2．1 SiC MOSFET结构

1．2．2 GaN功率晶体管结构

1．3 宽禁带功率半导体器件产品状况

1．3．1 SiC MOSFET产品状况

1．3．2 GaN功率晶体管产品状况

1．4 宽禁带功率半导体器件的应用现状

1．4．1 SiC MOSFET的应用现状

1．4．2 GaN功率晶体管的应用现状

1．5 寄生参数对宽禁带半导体器件应用的影响及开关过程建模

1．6 本论文的选题意义和研究内容

第2章 宽禁带功率半导体器件导通损耗分析

2．1 引言

2．2 器件稳态工作模态分析

2．2．1 MOSFET稳态工作模态

2．2．2 IGBT稳态工作模态

2．2．3 共栅共源结构GaN功率晶体管稳态工作模态

2．3 导通损耗计算方法及需要的测试参数

2．4 测量方法

2．4．1 测量原理

2．4．2 测试前需要注意的问题

2．5 正向导通特性测试结果

2．5．1 30℃下不同器件的输出特性曲线

2．5．2 不同温度下不同器件的输出特性曲线

2．6 反向导通特性测试结果

2．6．1 30℃下不同器件的第三象限特性曲线

2．6．2 不同温度下不同器件的第三象限特性曲线

2．7 基于器件导通特性测试的逆变器应用中开关器件导通损耗计算

2．7．1 导通损耗计算方法

2．7．2 导通损耗计算过程

2．7．3 导通损耗计算结果及比较分析

2．8 本章小结

第3章 宽禁带功率半导体器件开关损耗分析

3．1 引言

3．2 基于开关过程测试的开关损耗计算方法

3．2．1 开关损耗计算方法及需要的测试参数

3．2．2 双脉冲测试

3．3 开关能量损耗计算结果比较分析

3．3．1 不同器件开关能量损耗比较分析

3．3．2 不同开关电流对不同器件开关损耗的影响

3．3．3 不同驱动电阻对不同器件开关损耗的影响

3．3．4 不同温度对不同器件开关损耗的影响

3．4 基于开关能量损耗数据的逆变器应用中的功率半导体器件开关功率损耗计算

3．4．1 逆变器应用中的功率半导体器件开关功率损耗计算方法

3．4．2 逆交器应用中的功率半导体器件开关功率损耗计算结果及比较分析

3．5 本章小结

第4章 逆变器应用中的功率半导体器件损耗分析

4．1 引言

4．2 双脉冲和逆变器测试平台搭建

4．2．1 双脉冲和逆变器电路平台方案

4．2．2 GaN功率器件应用中需要注意的问题

4．3 逆变器应用中的功率半导体器件桥臂损耗计算、实验结果及比较分析

4．3．1 逆交器应用中的功率半导体器件桥臂损耗计算结果

4．3．2 逆变器应用中损耗实验结果及比较分析

4．4 本章小结

第5章 共栅共源结构高压GaN HEMT开关损耗模型构建

5．1 引言

5．2 共栅共源结构GaN功率器件开关过程测试电路模型

5．3 开通过程

5．3．1 GaN功率器件开通之前的初始状态

5．3．2 阶段Ⅰ：Si MOSFET延时阶段

5．3．3 阶段Ⅱ：Si MOSFET漏源电压下降(GaN HEMT栅源电压上升)

5．3．4 阶段Ⅲ：Si MOSFET和GaN HEMT沟道电流上升

5．3．5 阶段Ⅳ：二极管反向恢复

5．3．6 阶段Ⅴ：剩余阶段

5．4 关断过程

5．4．1 阶段Ⅰ：Si MOSFET延时阶段

5．4．2 阶段Ⅱ：Si MOSFET漏源电压上升(GaN HEMT栅源电压下降)

5．4．3 阶段Ⅲ：Si MOSFET和GaN HEMT沟道电流下降

5．4．4 阶段Ⅳ：剩余阶段

5．5 实验结果

5．6 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表和录用的论文