共源共柵級(jí)聯(lián)(Cascode)型氮化鎵(GaN)功率器件已經(jīng)逐步商業(yè)化,并在耐壓、開(kāi)關(guān)性能、溫度特性等方面顯示出比傳統(tǒng)的硅材料器件更為卓越的性能。但在驅(qū)動(dòng)、振蕩抑制、封裝及可靠性等方面還存在一定的認(rèn)知問(wèn)題,在一定程度上影響了 Cascode型GaN功率器件的迅速推廣和應(yīng)用。為促進(jìn)Cascode型GaN功率器件發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)硅器件的替代,論文做了以下幾點(diǎn)工作:論文首先介紹了 GaN功率器件的國(guó)內(nèi)外發(fā)展和研究現(xiàn)狀,以及GaN器件材料、結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)電氣特性。分析了共源共柵級(jí)聯(lián)型和柵極增強(qiáng)(E-mode)型兩種GaN器件結(jié)構(gòu)各自的性能優(yōu)勢(shì)和不足。然后以大連芯冠科技有限公司的Cascode型GaN功率器件為主要研究對(duì)象,以雙脈沖測(cè)試電路為背景,對(duì)Cascode型GaN功率器件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析,并搭建了仿真電路和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。為更準(zhǔn)確理解Cascode型GaN功率器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程,搭建了外部級(jí)聯(lián)GaN功率器件,分析了開(kāi)關(guān)過(guò)程中耗盡型GaN管與低壓Si MOS管各自的開(kāi)關(guān)行為,并且給出了各階段的關(guān)鍵方程以及優(yōu)于經(jīng)典損耗計(jì)算方法的器件損耗計(jì)算模型。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電壓電流振蕩是影響其高頻應(yīng)用及可靠性的主要因素。論文研究了針對(duì)Cascode型GaN功率器件高速應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電路,并評(píng)估了磁珠對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響。對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程和米勒平臺(tái)階段的振蕩機(jī)理進(jìn)行了分析,相應(yīng)給出了具體的振蕩抑制方法,主要包括:減小開(kāi)關(guān)速度、減小共源寄生電感、選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻、優(yōu)化布局和設(shè)計(jì)振蕩吸收電路等。最后論文選取了同步Buck和全橋LLC諧振變換器作為Cascode型GaN功率器件應(yīng)用特性的研究拓?fù)?并根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)利用原廠提供的Spice器件模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,搭建了 Buck-2.5kW和全橋LLC-2kW兩臺(tái)樣機(jī),總結(jié)了 Cascode型GaN功率器件性能優(yōu)勢(shì),并給出了具體的應(yīng)用優(yōu)化及解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明了 Cascode型GaN功率器件的優(yōu)異開(kāi)關(guān)特性,可以適用于硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洹?br> 【學(xué)位單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

ＧａＮ材料制作ＧａＮ器件外，還可以利用ＧａＮ所特有的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制作高性能器??件。ＧａＮ可以生長(zhǎng)在Ｓｉ、ＳｉＣ和藍(lán)寶石上，其中硅基氮化鎵兼具硅的低成本效應(yīng)以及氮??化鎵的高頻高功率特性，在硅基上面做氮化鎵器件是目前重要的研究方向之一［１５］。??２００９年６月，美國(guó)宜普電源轉(zhuǎn)換公司（ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，?ＥＰＣ）推出了第??一款增強(qiáng)型硅基ＧａＮ?ＨＥＭＴ。２０１０年，ＥＰＣ公司將產(chǎn)品更新?lián)Q代，封裝技術(shù)不斷改進(jìn)。??主推ＬＧＡ觸點(diǎn)陣列封裝（也稱裸片封裝），如圖１．１所示。２０１７年，ＥＰＣ公司推出比??同等級(jí)ＭＯＳ管小型化８倍的４０Ｖ氮化鎵功率晶體管，最大導(dǎo)通電阻為５?ｍｆｌ。目前，??該公司ＧａＮ器件的最大耐壓己擴(kuò)展為４５０Ｖ，最大耐流為９０Ａ。公司產(chǎn)品主要應(yīng)用于低??壓場(chǎng)合（２００Ｖ以下），器件結(jié)構(gòu)主要為ｐ型ＧａＮ柵增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)。??？?５５ｍｍ?？??〇?ｒ?ｎ?ｒ?ｎ??Ｉ?１．?３６ｍｍ??圖１?ＥＰＣ公司典型ＧａＮ器件封裝圖??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＧａＮ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｐａｃｋａｇｅ?ｆｒｏｍ?ＥＰＣ??２０１２年，美國(guó)Ｔｒａｎｓｐｈｏｒｍ公司使ＧａＮ功率器件在電力電子功率半導(dǎo)體方面第一次??開(kāi)始商業(yè)化。產(chǎn)品以Ｃａｓｃｏｄｅ型ＧａＮ功率器件為主，是Ｃａｓｃｏｄｅ型解決方案的標(biāo)桿企業(yè)。??２０１７年，推出首款９００Ｖ器件ＴＰ９０Ｈ１８０ＰＳ（ＴＯ－２２０封裝，典型導(dǎo)通電阻為１７０ｍｎ）??獲得ＪＥＤＥＣ認(rèn)證。該公司產(chǎn)品主要有６５０Ｖ和９００Ｖ兩個(gè)系列，器件封裝方面主要以傳??統(tǒng)的ＴＯ－２２０和ＴＯ－２４７為主，近年也推出了?ＰＱＦＮ和ＱＦＮ封裝以減小封裝寄生電感。??

大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文??（??管技術(shù)，該技術(shù)下器件的閾值電壓將提高到４．０Ｖ，可以提高其抗噪能力和器件性能，無(wú)??需負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，并且相比上代產(chǎn)品降低整體成本。?１；??加拿大ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司于２０１４將自己的部分氮化鎵器件推向市場(chǎng)，并和臺(tái)積電??合作推出了自己特有的ＧａＮＰＸ？封裝，如圖１．２所示。：Ｓｙｓｔｅｍｓ公司主要產(chǎn)品有１００Ｖ和??６５０Ｖ兩種耐壓規(guī)格。該公司采用元胞島技術(shù)替代傳統(tǒng)的叉癢狀布局，提高了電流密度，??耐流己達(dá)到１５０Ａ，目前是Ｅ－ｍｏｄｅ型ＧａＮ器件的代奉企業(yè)。??？?ｔ?ｖ；??’?ｔ?？’?：？?！?ｊ??鼴［ＩＪＭ??圖１．?２?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司典型ＧａＮ器彳中封裝圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＧａＮ?ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ｆｒｏｍ?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ??成立于２０１４年的美國(guó)納微（Ｎａｖｉｔａｓ）．半導(dǎo)體依靠其特有的ＧａＮ集成ＩＣ技術(shù)路線，??近兩年異軍突起。與其他ＧａＮ器件公司不同，Ｎａｖｉｔａｓ主要面向?qū)β拭芏纫筝^高的??小功率場(chǎng)合（典型如手機(jī)適配器）。該公司將驅(qū)動(dòng)電路和ＧａＮ器件進(jìn)行單片集成，減??少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的工作量，使其產(chǎn)品能夠快速投入應(yīng)用。另一方面也優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)布局，??其允許最大工作頻率為２ＭＨｚ，封裝和電氣符號(hào)如圖１．３所示。２０２０年２月，小米公司??最新發(fā)布的Ｍｉ?１０和Ｍｉ?１０?Ｐｒｏ適配器采用的就是該公司解決方案，６５Ｗ規(guī)格的適配器??功率密度高達(dá)１９．９５Ｗ／ｉｎ３。??圖１．?３?Ｎａｖｉｔａｓ公司器件封裝及電氣符號(hào)??Ｆｉｇ．?１．３?Ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ａｎｄ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ

大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文??（??管技術(shù)，該技術(shù)下器件的閾值電壓將提高到４．０Ｖ，可以提高其抗噪能力和器件性能，無(wú)??需負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，并且相比上代產(chǎn)品降低整體成本。?１；??加拿大ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司于２０１４將自己的部分氮化鎵器件推向市場(chǎng)，并和臺(tái)積電??合作推出了自己特有的ＧａＮＰＸ？封裝，如圖１．２所示。：Ｓｙｓｔｅｍｓ公司主要產(chǎn)品有１００Ｖ和??６５０Ｖ兩種耐壓規(guī)格。該公司采用元胞島技術(shù)替代傳統(tǒng)的叉癢狀布局，提高了電流密度，??耐流己達(dá)到１５０Ａ，目前是Ｅ－ｍｏｄｅ型ＧａＮ器件的代奉企業(yè)。??？?ｔ?ｖ；??’?ｔ?？’?：？?！?ｊ??鼴［ＩＪＭ??圖１．?２?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司典型ＧａＮ器彳中封裝圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＧａＮ?ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ｆｒｏｍ?ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ??成立于２０１４年的美國(guó)納微（Ｎａｖｉｔａｓ）．半導(dǎo)體依靠其特有的ＧａＮ集成ＩＣ技術(shù)路線，??近兩年異軍突起。與其他ＧａＮ器件公司不同，Ｎａｖｉｔａｓ主要面向?qū)β拭芏纫筝^高的??小功率場(chǎng)合（典型如手機(jī)適配器）。該公司將驅(qū)動(dòng)電路和ＧａＮ器件進(jìn)行單片集成，減??少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的工作量，使其產(chǎn)品能夠快速投入應(yīng)用。另一方面也優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)布局，??其允許最大工作頻率為２ＭＨｚ，封裝和電氣符號(hào)如圖１．３所示。２０２０年２月，小米公司??最新發(fā)布的Ｍｉ?１０和Ｍｉ?１０?Ｐｒｏ適配器采用的就是該公司解決方案，６５Ｗ規(guī)格的適配器??功率密度高達(dá)１９．９５Ｗ／ｉｎ３。??圖１．?３?Ｎａｖｉｔａｓ公司器件封裝及電氣符號(hào)??Ｆｉｇ．?１．３?Ｄｅｖｉｃｅ?ｐａｃｋａｇｅ?ａｎｄ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ
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本文編號(hào)：2882644