氮化镓功率晶体管 器件、电路与应用 原书第2版PDF电子书下载

第1章 GaN技术概述 1

1.1 硅功率MOSFET （1976～2010） 1

1.2 GaN基功率器件 2

1.3 GaN材料特性 2

1.3.1 禁带宽度（Eg） 3

1.3.2 临界击穿电场（Ecrit） 3

1.3.3 导通电阻（RDs（on）） 4

1.3.4 二维电子气（2DEG） 4

1.4 GaN晶体管的基本结构 6

1.4.1 凹槽栅增强型结构 7

1.4.2 注入栅增强型结构 7

1.4.3 p型GaN栅增强型结构 8

1.4.4 共源共栅混合增强型结构 8

1.4.5 GaN HEMT晶体管反向导通 9

1.5 GaN晶体管的制备 10

1.5.1 衬底材料的选择 10

1.5.2 异质外延技术 10

1.5.3 晶圆处理 12

1.5.4 器件与外部的电气连接 13

1.6 本章小结 15

参考文献 16

第2章 GaN晶体管电气特性 18

2.1 引言 18

2.2 关键器件参数 18

2.2.1 击穿电压（BVDSS）和泄漏电流（IDSS） 18

2.2.2 导通电阻（RDs（on） 22

2.2.3 阈值电压（VGS（th）或Vth） 25

2.3 电容和电荷 27

2.4 反向传导 28

2.5 热阻 31

2.6 瞬态热阻 33

2.7 本章小结 34

参考文献 34

第3章 驱动GaN晶体管 36

3.1 引言 36

3.2 栅极驱动电压 38

3.3 自举和浮动电源 40

3.4 dv/dt抗性 41

3.5 di/dt抗扰性 43

3.6 接地反弹 45

3.7 共模电流 46

3.8 栅极驱动器边沿速率 47

3.9 驱动共源共栅GaN器件 47

3.10 本章小结 49

参考文献 49

第4章 GaN晶体管电路布局 51

4.1 引言 51

4.2 减小寄生电感 51

4.3 常规功率环路设计 54

4.4 优化功率环路 55

4.5 并联GaN晶体管 56

4.5.1 单个开关中应用的并联GaN晶体管 56

4.5.2 半桥应用的并联GaN晶体管 60

4.6 本章小结 63

参考文献 63

第5章 GaN晶体管的建模和测量 64

5.1 引言 64

5.2 电气建模 64

5.2.1 基础建模 64

5.2.2 基础建模的局限 66

5.2.3 电路建模的局限 68

5.3 热建模 69

5.3.1 提高热性能 70

5.3.2 多芯片裸片建模 72

5.3.3 复杂系统建模 74

5.4 GaN晶体管性能测量 75

5.4.1 电压测量要求 76

5.4.2 电流测量要求 78

5.5 本章小结 79

参考文献 79

第6章 硬开关拓扑 81

6.1 引言 81

6.2 硬开关损耗分析 82

6.2.1 开关损耗 83

6.2.2 输出电容（COSs）损耗 87

6.2.3 栅极电荷（QG）损耗 87

6.2.4 反向导通损耗（PsD） 88

6.2.5 反向恢复（QRR）损耗 90

6.2.6 硬开关总损耗 90

6.2.7 硬开关的品质因数 90

6.3 影响硬开关损耗的外部因素 91

6.3.1 共源电感的影响 92

6.3.2 高频功率环路电感对器件损耗的影响 93

6.4 减少GaN晶体管的体二极管传导损耗 96

6.5 频率对磁性的影响 99

6.5.1 变压器 99

6.5.2 电感 100

6.6 降压变换器实例 100

6.6.1 输出电容损耗 102

6.6.2 栅极功耗（PG） 103

6.6.3 体二极管导通损耗（P SD） 105

6.6.4 开关损耗（Psw） 108

6.6.5 总动态损耗（P Dynamic） 109

6.6.6 导通损耗（P Conduction） 109

6.6.7 器件总硬开关损耗（P HS） 110

6.6.8 电感损耗（PL） 110

6.6.9 降压变换器预估总损耗（P Total） 111

6.6.10 考虑共源电感的降压变换器损耗分析 111

6.6.11 降压变换器的实验结果 113

6.7 本章小结 114

参考文献 114

第7章 谐振和软开关变换器 116

7.1 引言 116

7.2 谐振与软开关技术 116

7.2.1 零电压和零电流开关 116

7.2.2 谐振DC-DC变换器 117

7.2.3 谐振网络组合 117

7.2.4 谐振网络工作原理 118

7.2.5 谐振开关元件 120

7.2.6 软开关DC-DC变换器 121

7.3 用于谐振和软开关应用的关键器件参数 121

7.3.1 输出电荷（QOSS） 121

7.3.2 通过制造商数据表确定输出电荷 122

7.3.3 比较GaN晶体管和硅MOSFET的输出电荷 123

7.3.4 栅极电荷（QG） 123

7.3.5 谐振和软开关应用中栅极电荷的确定 124

7.3.6 GaN晶体管和硅MOSFET的栅极电荷的比较 125

7.3.7 GaN晶体管和硅MOSFET的性能指标的比较 125

7.4 高频谐振总线转换器实例 127

7.4.1 共振GaN和硅总线转换器设计 129

7.4.2 GaN和硅器件的比较 130

7.4.3 零电压开关转换 131

7.4.4 效率和功耗比较 132

7.5 本章小结 134

参考文献 135

第8章 射频性能 136

8.1 引言 136

8.2 射频晶体管和开关晶体管的区别 137

8.3 射频基础知识 139

8.4 射频晶体管指标 140

8.4.1 确定射频FET的高频特性 142

8.4.2 散热考虑的脉冲测试 142

8.4.3 s参数分析 144

8.5 使用小信号s参数的放大器设计 147

8.5.1 条件稳定的双侧晶体管放大器设计 147

8.6 放大器设计实例 148

8.6.1 匹配和偏置器网络设计 151

8.6.2 实验验证 153

8.7 本章小结 155

参考文献 156

第9章 GaN晶体管的空间应用 157

9.1 引言 157

9.2 失效机理 157

9.3 辐射标准和容差 158

9.4 伽马辐射和容差 158

9.5 单粒子效应（SEE）测试 159

9.6 GaN晶体管与Rad-Hard硅MOSFET的性能比较 160

9.7 本章小结 162

参考文献 162

第10章 应用实例 163

10.1 引言 163

10.2 非隔离式DC-DC变换器 163

10.2.1 12 VIN-1.2VOUT降压变换器 164

10.2.2 28VIN-3.3VOUT点负载模块 168

10.2.3 应用于大电流场合并联GaN晶体管的48 VIN-12 VOUT降压变换器 169

10.3 隔离式DC-DC变换器 174

10.3.1 硬开关中间总线转换器 175

10.3.2 400 V LLC谐振变换器 184

10.4 D类音频 185

10.4.1 总谐波失真 185

10.4.2 阻尼系数 185

10.4.3 D类音频放大器实例 187

10.5 包络跟踪 189

10.5.1 高频GaN晶体管 190

10.5.2 包络跟踪实验结果 191

10.5.3 栅极驱动器的局限性 192

10.6 高共振无线能量传输 194

10.6.1 无线能量传输的设计要素 196

10.6.2 无线能量传输实例 197

10.6.3 无线能量传输的设计因素小结 203

10.7 LiDAR与脉冲激光应用 204

10.8 功率因数校正 206

10.9 电动机驱动和光伏逆变器 208

10.10 本章小结 208

参考文献 209

第11章 硅功率MOSFET 替代器件 212

11.1 什么控制使用率 212

11.2 GaN晶体管实现的新功能 212

11.3 GaN晶体管易于使用 213

11.4 成本与时间 213

11.4.1 原材料 214

11.4.2 材料外延生长 214

11.4.3 晶圆制造 214

11.4.4 芯片测试和封装 215

11.5 GaN晶体管的可靠性 215

11.6 GaN晶体管的发展方向 216

11.7 本章小结 216

参考文献 217

附录专业术语 218