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]。

氮化镓（GaN）、碳化硅(SiC)材料是电子产业和半导体领域的超新星，因其极高的电能转换率和高频特性等优越性，使得越来越多的人投入更多的精力去研究。一直到1950年后，才正式进入半导体器件研究中。

1990年以来，氮化镓（GaN）、碳化硅(SiC)技术获得了迅猛发展。将氮化镓（GaN）、碳化硅(SiC)与砷化镓(GaAs)、硅基材料的物理特性进行对比，如表1. 1所示，其优点显而易见^[2][3]：

表1.1 材料的物理特性比较

(1) 高温工作

SiC、GaN的禁带宽度可达3.3eV左右，数值上几乎是硅基材料的2倍，在物理层面上具有高稳定度的晶体结构。因此，器件在高温度下工作的忍耐性很高。

(2) 高阻断电压

从表格看出，SiC、GaN材料的临界击穿场强是硅基器件的10倍数量级。这就决定了SiC、GaN器件的阻断电压比硅基（Si）器件要高出很多。

(3) 低损耗

在导通损耗方面，SiC、GaN器件与硅基器件有两个不同的地方：首先在同等功率等级下，导通损耗与临界击穿场强关系明确，成反比，因此相比之下SiC、GaN器件导通损耗小很多；其次SiC、GaN导通损耗的温度依赖性很小。

(4) 开关速度快

SiC、GaN器件的热导系数和饱和电子漂移率很高，这决定了它们工作在高频场合下的可靠性和有效性。

综上所述，SiC、GaN MOSFET具有开关损耗低、导通电阻小、耐高温以及适合高频场合等特点，若能把硅材料替换成SiC、GaN材料，在同等功率等级下将大大减小散热器、滤波器体积以及功率器件的数量，同时增大工作效率。这在电力电子领域具有光明的前景。

1.2 MOSFET发展现状

目前功率MOSFET的结构千变万化，已经实现的有：积累型静电感应场效应管（SIAFET-Static Induction injectedAccumulated FET），U型槽栅MOS场效应晶体管（UMOSFET-trench），双注入MOS场效应管（DIMOSFET-Double，Implanted MOSFET），沟道积累型MOS场效应管（ACCUFET-Accumulation Channel Field Efiect Transistor）以及降低表面电场MOS场效应管（RESURF MOSFET-Reduced Surface Field MOSFET）等，MOSFET如图1.1所示：

图1.1 MOSFET晶体管

1.2.1 SiC MOSFET

上个世纪八十年代，首个SiC MOSFET出世了：94年J．W．Palmour等一伙人开发了首个功率MOSFET管，即U型槽栅MOSFET^[4]。因为基源区可由外延形式合成，使它的结构具有吸引力。但由于技术有限，U型槽栅MOSFET有两个缺点：

（1）由于SiC器件在漂移区具有很高的电场使得栅氧化层中的电场也很高，在槽拐角处更为明显。最大工作电压被限制在很小值，大约为击穿电压的40%以下，栅氧化层在漏极高压下会迅速击穿。

（2）载流子迁移率在反型沟道中很低，导致特征导通电阻很高，SiC器件漂移区低电阻的优势被限制住了。

改善一直在进行中，J．A．Cooper等人针对氧化层电场过高的问题，提出一种新结构，为了使槽的底部电场从SiC/氧化层界面移动到n、p型漂移区的pn结上，在槽底加入一层P型参杂区，从而对氧化层起到保护作用。

Y.Li等人在报道中首次提出4H-SiC纵向UMOSFET，具有高阻断电压（约3350V），低特征导通电阻（约199mΩ·cm2）。

二十世纪末，Siemens等人在报道中提出三注入MOSFET，获得低特征导通电阻（46mΩ·cm2）和高阻断电压（1800V）。

2000年，Cree，Durham，Inc，NC等公司研发出一款静电感应型MOSFET,732mΩ·cm2的特征导通电阻，6100V的阻断电压。

2004年，Sei-Hyung Ryu等人研制出了迄今为止具有最高阻断电压（10kV）的4H-SiC DMOSFET，123mΩ·cm2的特征导通电阻^[5]。

2007年，James A Cooper与Asmita两者共同提出DIMOSFET，其具有电流扩展层，6.95mΩ·cm2的特征导通电阻，1050V的阻断电压。

2008年，Morteza等人研发出一种积累型6H-SiC UMOSFET，可以通过调整区域的掺杂浓度，从而得到低特征导通电阻（6.5 mΩ·cm2）和高击穿电压（1400V）。

SiC器件沟道迁移率低的原因是器件高界面态密度，从而使正向导通损耗变大，这正是人们要着手解决的问题。

1.2.2 GaN MOSFET

1998年，F.Ren在报道中提出了第一个GaN MOSFET^[6]，Ga203作为它的栅氧化层，漏源极表现肖特基接触的特性并且不能完全关断，输出特性有待改善。

随后，越来越多的人开始投入GaN MOSFET器件的研发。1999年，R．Therrien等人提出一种机理，关于GaN MOSFET器件的低界面缺陷，采用的是远程等离子体工艺。

2000年，M．Hong等人提出了一个具有低界面态密度的GaN MOSFET系统。同年，K．Matoch等人通过研究增强型GaN MOS的二极管上平带电压正漂情况，计算出GaN的热释电系数，约为3.7×109 cm^-2K^-1[7]。

2002年，J．Kim等人研究了Si2O3/GaN MOS二极管，通过电荷泵法计算出总表面态密度，为3.7×109 cm-2。同年，K．Lee等人提出了制作栅氧GaN MOSFET的方法，即液相沉积法，计算得到器件跨导值，为48 ms/mm^[8]。

2003年，H．cho等人针对MgO/GaN MOSFET器件，通过仿真研究其工作性能温度依赖性，仿真结果表明GaN MOSFET的耐高温特性。

2005年，K．Abdullah等人研究并报道了GaN MOSFET的电学特性。同年，H．Lee等人提出了一个硅基板p-GaN上的增强型GaN MOSFET，研究得到其峰值跨导值，为1.6mS/mm。

2007年，H．Kbayaslli等人采用Si02作为GaN MOSFET的栅氧层，研究得到其沟道迁移率，为113cm-2/Vs。

2009年，W．HuaJlg等人研制了730v耐压，结构RESURF的GaN MOSFET，研究得到特征导通电阻，为34 mΩcm2。

2010年，D.Kim等人研制了以Al203作为栅氧化层、以p-GaN作为衬底的增强型GaN MOSFET，研究得到晶体管的阈值摆幅，为365mV/dec。同年，K.Kim等人发现采用TMAH处理表面的Al203/GaN MOSFET，会提高其迁移率（约为50 cm2Vs）

2013年，Z．Xu等人研发了一种制作GaN MOSFET的技术，叫做自终结栅槽刻蚀，能使器件沟道迁移率达到80cm2Vs。

2014年，S．Gu等人采用氢等离子体曝光法和基于硫化物钝化的原位三甲基铝湿法对GaN MOS电容进行处理，从而减少了以Al203作为栅氧化层的GaN MOSFET的边界陷阱和界面态密度。

众所周知界面态密度取决于氧化层厚度和掺杂浓度。因此，研究新的技术准确表征半导体界面态密度迫不及待。

1.3 本文研究内容

1.3.1基本内容以及目标

本设计的基本内容主要包括五个部分：

（1）研究SiC、GaN材料的MOSFET器件的主要特性，分析当前主流MOS管与下一代MOS管以及技术趋势。

（2）SiC、GaN MOS管的静态特性仿真，需要搭建核心单元M1、温控电压源、温控电流源、内部二极管、内部门极电阻及导通电阻等模型；SiC、GaN MOS管的动态特性仿真，需要搭建寄生电容、非线性电容的模型。

（3）驱动电路设计

（4）仿真模型验证

（5）研究GaN晶体管在变换器中的应用

本设计的目标，研究SiC、GaN MOS管的特性，针对SiC、GaN两种类型的MOS管建立MATLAB仿真模型，要求非常精确。 设计SiC、GaN MOS管驱动以及保护电路、吸收电路，要求有计算及仿真。

1.3.2 拟采用的技术方案及措施

器件物理模型建模法与等效电路模型法可作为经典的MOSFET建模方法。根据物理学方面的知识体系来求解器件的半导体方程，从而精确的描述器件本身的物理性质和特点，此方法称为物理模型建模法。然而根据实际的工业应用，因其过大的计算量，此方法并不适合。接下来介绍另一种更适合实际应用的方法，用一些函数模块或者电路来描述器件的电气特性，此方法称为等效电路模型法。

根据器件的电气特性，本文将采用上述第二种方法，搭建MATLAB/simulink仿真模型并验证模型的有效性准确性。

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