摘 要

SiC与GaN MOS管在高频高温领域中扮演着不可或缺的角色，因此对其特性进行研究分析、设计驱动电路等具有重大意义。

本文研究SiC与GaN MOS管，分析器件的特性以及参数，采用等效电路模型法搭建了MATLAB/simulink仿真模型，包括温控电压源、温控电流源和电阻温度依赖性模块等，模拟了器件的输出特性和转移特性，与数据手册进行对比，验证了器件在提高效率方面的优势；设计SiC与GaN MOS管驱动电路，分别采用光耦隔离驱动电路和独立拉灌输出驱动电路进行仿真，验证了模型的有效性；研究GaN MOS管在LLC谐振变换电路中的应用，采用半桥拓扑结构，仿真验证GaN MOS管在高频高温场合的优势。

研究结果表明：SiC与GaN MOS管在高频高温场合下比传统硅基材料具有很大优势。

关键词：SiC MOS管；GaN MOS管；MATLAB仿真模型；驱动电路；LLC谐振电路

Abstract

SiC and GaN MOS plays an important role in the field of high frequency and high temperature, so the analysis of the characteristics and design of the driving circuit are of great significance.The article study the SiC and GaN in the MOSFET, analysised the characteristics and parameters of device and built the MATLAB/simulink simulation model with equivalent circuit method.The simulation model includes the temperature control voltage source,temperature control current source and temperature control resistance and so on.Model simulate the output and transfer characteristics of the device.The results were compared with the manual data, verified the advantage of devices in improving the efficiency.The article design the driving circuit of SiC and GaN MOSFET,using optocoupler isolation drive circuit and pull and irrigation with independent output driver circuit to buid simulation to verify the validity of the model.Using half-bridge circuit struct to study the application of GaN MOSFET in the LLC resonant circuit to verificate advantages of GaN MOSFET in high frequency and high temperature applications.

The results show that SiC and GaN MOSFET have more advantages in high frequency and high temperature occasion than conventional si device.

Key Words：SiC MOSFET；GaN MOSFET；MATLAB simulation model；driving circuit；LLC resonant circuit

目录

摘要 І

Abstract П

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 MOSFET发展现状 2

1.2.1 SiC MOSFET 2

1.2.2 GaN MOSFET 3

1.3 本文研究内容 4

1.3.1 基本内容以及目标 4

1.3.2 拟采用的技术方案及措施 5

第2章 MOSFET参数建模 8

2.1 基本建模方法介绍 8

2.2 SiC MOSFET 静态特性建模 8

2.2.1 基本MOSFET单元M1建模 9

2.2.2 体二极管DBODY建模 10

2.2.3 导通电阻及内部栅极电阻建模 11

2.2.4 温控电压源电流源建模 11

2.2.5 SiC MOSFET 静态特性验证 12

2.3 SiC MOSFET 动态特性建模 14

2.3.1 寄生电容CGS建模 14

2.3.2 非线性电容CGD建模 15

2.3.3 仿真结果 16

2.4 GaN MOSFET 静态特性建模 16

2.4.1导通电阻模拟 17

2.4.2 输出特性曲线 18

2.4.3 转移特性曲线 18

2.5 GaN MOSFET动态特性 19

2.6 本章小结 19

第3章MOSFET 驱动设计 21

3.1 SiC MOSFET驱动电路设计 21

3.1.1 MOSFET驱动电路的基本要求 21

3.1.2 吸收电路 22

3.1.3 碳化硅MOSFET驱动类型选择 26

3.1.4 功率放大电路选择 28

3.1.5 驱动电路实现 29

3.2 GaN MOSFET 驱动电路设计 33

3.2.1 高频驱动电路存在的问题 34

3.2.2 高频驱动电路的选取 35

3.2.3 驱动电路设计 36

3.3 本章小结 38

第4章单体增强型GaN晶体管在LLC谐振变换器中的应用 39

4.1 LLC谐振变换器工作原理 39

4.2 主电路参数设计及损耗分析 42

4.3 仿真及实验分析 44

4.4 本章小结 45

第5章 总结展望 46

5.1 全文工作总结 46

5.2 后续工作展望 46

参考文献 48

附录 48

致谢 54

第1章 绪论

1.1 研究背景

半导体的技术在电力电子领域发展中起到决定性作用。半导体功率器件（Si、GaAs、SiC、GaN）作为电力电子装备的核心组成部分，在医疗、消费、工业以及交通等领域直接影响了电力电子装备的效率和成本。从固态器件代替了真空管之后，以硅基材料为首的半导体器件发挥着重要作用。半控型晶闸管和双极性晶体管（BJT）的出现，使电力电子装备的体积和重量问题得到了很好的解决，从而提高效率。为了能进军高频率、高功率等级领域，IR公司首当其冲研发了第一款功率MOSFET，使得接下来的二十年成为半导体器件的黄金发展期，IGBT、IPM、GTO等新型功率器件在电力电子领域的发展势如破竹。

目前，Si基器件的技术已经很成熟，然而在一些高频、高温、高压场合将不再适用。随后出现了以GaN、SiC材料为代表的第三代功率半导体，这些材料具有高饱和电子速度、高导热率、高电子密度以及高临界击穿电场等特征，在高频、高温、高压场合下的应用游刃有余^[1]。