基于硅材料研制的功率器件受到硅材料禁帶寬度的限制,其性能越來越難以滿足固態(tài)射頻電源高工作頻率、高效率和高功率密度的要求。寬禁帶半導體材料氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)具有比硅材料更優(yōu)異的物理特性,其研制的功率器件具有更低的導通電阻、更小的輸入輸出電容等特性。這些特性一方面使得GaN器件具有更快的開關速度,開關頻率越高,系統(tǒng)中的無源器件(如電容、電感及變壓器)的體積會大幅度減小,從而使得固態(tài)射頻電源系統(tǒng)的整體體積減小;另一方面可以減小功率器件的損耗,從而簡化甚至省去散熱裝置,減小系統(tǒng)的體積。因此GaN功率器件更適合應用于固態(tài)射頻電源系統(tǒng),提高系統(tǒng)的整機效率和功率密度。本文主要研究使用GaN功率器件來設計制作全固態(tài)射頻電源。首先具體分析了GaN半導體材料的物理特性、GaN器件的性能及其應用于高頻功率變換器中的優(yōu)勢。采用E類功率變換器拓撲結構,使用Transphorm公司的共源共柵極結構的GaN器件TPH3202PD作為功率開關器件,按照設計要求推導計算出各功能電路模塊的元器件參數(shù),為設計方案的仿真和樣機制作奠定了理論基礎。然后使用PSPICE對基于TPH3202PD器件的固態(tài)射頻電源主電路系統(tǒng)進行仿真分析,優(yōu)化仿真電路參數(shù)達到了設計指標,從而驗證了方案的可行性。根據(jù)仿真結果設計制作了一款開關頻率為4 MHz,功率可調的全固態(tài)射頻電源實驗樣機,通過對樣機的調試和優(yōu)化,樣機的效率達到了96.9%,功率密度可達到227.8×10~(-3) W/cm~3。同時,將兩臺基于GaN器件制作的樣機通過功率合成的方法,解決了單個固態(tài)射頻電源模塊的輸出功率無法滿足大功率需求的場合。其次,采用相同的電路拓撲結構,使用IXYS公司的RF Si MOSFET器件IXFH6N100F進行了對比實驗研究。在相同的工作條件下,基于IXFH6N100F器件制作的樣機的效率為78.5%,功率密度為71.3×10~(-3) W/cm~3,從而驗證了GaN器件可大幅度提高固態(tài)射頻電源的效率和功率密度。
【學位單位】：南華大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN304;TN86
【部分圖文】：

高[4]。態(tài)射頻電源使用的高頻晶體管大部分是基于Si半導體材到其材料的理論極限，如圖 1.1 所示，越來越難以滿足求，而GaN器件則表現(xiàn)出很好的理論極限。從圖中可以極限遠遠優(yōu)于Si MOSFET器件；且相同耐壓等級的Si M，GaN晶體管的通態(tài)比電阻也遠遠小于Si MOSFET器更低的導通電阻，大幅度減小導通損耗，提高電源的結MOSFET器件已經(jīng)超過其材料的理論極限，其通態(tài)

OSFET 器件結構對比 器件結構道增強型 Si MOSFET 器件的結是 P 型 Si 半導體薄片，其摻雜N+區(qū)是利用擴散的方法形成的。2）絕緣層，并在 SiO2的表面及 G）、源極（S）和漏極（D）。正向電壓Vgs，則柵極和 P 型 Si 片用下，SiO2絕緣層中便產生了由電場，強度為 105~106V/cm 數(shù)量移動的負離子，從而形成了漏-源

GaN 功率器件將被構建是 AlGaN 層，ALGaN 和 GaN 材料GaN 異質結接觸面處半導體材料能移，AlGaN 失去電子而形成耗盡層N 的電子勢能較低，會束縛電子、料一側形成存在自由電子的勢阱區(qū)電子氣（Two Dimensional Electron束，只能在平行于異質結接觸面的進入了 GaN，不再受到電離雜質散具有高電子遷移率的 2DEG 可以在從而構成 GaN 器件的導電溝道，控制 GaN 器件的導通和關斷[43]。
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本文編號：2849583