了得網工業技術_氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）

編輯推薦

1）美國EPC公司CEO、國際整流器公司原CEO權威著作，全彩色印刷，理解GaN晶體管結構、特性和應用的實用指南。
2）繫統全面介紹氮化鎵（GaN）技術及其應用的經典著作，獲得了國際上眾多知名專家的推薦。
3）第3版更新了35%的內容，包括散熱管理、多電平變換器、高諧振無線電源和激光雷達等新章節。
4）在使用GaN晶體管構建功率變換繫統時，提供了有關特定電路的實用設計。
5）適合從事GaN功率半導體技術研究的科研工作者、工程師、高年級本科生和研究生使用，對於從事其他功率半導體技術的研究也具有借鋻意義。

內容簡介

《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》共17章，第1章概述了氮化鎵（GaN）技術；第2章為GaN晶體管的器件物理；第3章介紹了GaN晶體管驅動特性；第4章介紹了GaN晶體管電路的版圖設計；第5章討論了GaN晶體管的建模和測量；第6章介紹了GaN晶體管的散熱管理；第7章介紹了硬開關技術；第8章介紹了軟開關技術和變換器；第9章介紹了GaN晶體管射頻性能；第10章介紹了DC-DC功率變換；第11章討論了多電平變換器設計；第12章介紹了D類音頻放大器；第13章介紹了GaN晶體管在激光雷達方面的應用；第14章介紹了包絡跟蹤技術；第15章討論了高諧振無線電源；第16章討論了GaN晶體管的空間應用；第17章分析了GaN晶體管替代硅功率晶體管的原因。
《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》適合作為從事GaN功率半導體技術研究的科研工作者、工程師、高年級本科生和研究生的參考書，也可以作為高等院校微電子科學與工程、集成電路科學與工程、電力電子技術專業的教材。

作者簡介

Alex Lidow博士，美國宜普電源轉換（EPC）公司CEO、國際整流器公司原CEO，獲得斯坦福大學博士學位。
Michael de Rooij博士，美國EPC公司應用工程副總裁，獲得約翰內斯堡大學博士學位。
Johan Strydom博士，美國德州儀器公司Kilby實驗室的高級開發經理，獲得約翰內斯堡大學博士學位。
David Reusch博士，美國VPT公司首席科學家，獲得弗吉尼亞理工大學博士學位。
John Glaser，美國EPC公司應用工程總監。

譯者序
原書前言
致謝
第1章 GaN技術概述1
1.1硅功率MOSFET（1976～2010年）1
1.2GaN基功率器件1
1.3GaN和SiC材料與硅材料的比較2
1.3.1禁帶寬度Eg3
1.3.2臨界電場Ecrit3
1.3.3導通電阻RDS（on）3
1.3.4二維電子氣4
1.4GaN晶體管的基本結構5
1.4.1凹槽柵增強型結構6
1.4.2注入柵增強型結構7譯者序
原書前言
致謝
第1章 GaN技術概述1
1.1硅功率MOSFET（1976～2010年）1
1.2GaN基功率器件1
1.3GaN和SiC材料與硅材料的比較2
1.3.1禁帶寬度Eg3
1.3.2臨界電場Ecrit3
1.3.3導通電阻RDS（on）3
1.3.4二維電子氣4
1.4GaN晶體管的基本結構5
1.4.1凹槽柵增強型結構6
1.4.2注入柵增強型結構7
1.4.3pGaN柵增強型結構7
1.4.4混合增強型結構7
1.4.5GaN HEMT反向導通8
1.5GaN晶體管的制備9
1.5.1襯底材料的選擇9
1.5.2異質外延技術10
1.5.3晶圓處理11
1.5.4器件與外部的電氣連接12
1.6GaN集成電路13
1.7本章小結16
參考文獻16
第2章 GaN晶體管的電氣特性19
2.1引言19
2.2器件的額定值19
2.2.1漏源電壓19
2.3導通電阻RDS(on)23
2.4閾值電壓25
2.5電容和電荷27
2.6反向傳輸29
2.7本章小結31
參考文獻31
第3章 GaN晶體管的驅動特性33
3.1引言33
3.2柵極驅動電壓34
3.3柵極驅動電阻36
3.4用於柵極注入晶體管的電容電流式柵極驅動電路37
3.5dv/dt抗擾度39
3.5.1導通時dv/dt控制39
3.5.2互補器件導通39
3.6di/dt抗擾度42
3.6.1器件導通和共源電感42
3.6.2關斷狀態器件di/dt43
3.7自舉和浮動電源 43
3.8瞬態抗擾度46
3.9考慮高頻因素48
3.10增強型GaN晶體管的柵極驅動器48
3.11共源共柵、直接驅動和高壓配置49
3.11.1共源共柵器件49
3.11.2直接驅動器件51
3.11.3高壓配置51
3.12本章小結52
參考文獻52
第4章 GaN晶體管電路布局56
4.1引言56
4.2減小寄生電感56
4.3常規功率回路設計58
4.3.1橫向功率回路設計58
4.3.2垂直功率回路設計59
4.4功率回路的優化59
4.4.1集成對於寄生效應的影響60
4.5並聯GaN晶體管61
4.5.1單開關應用中的並聯GaN晶體管61
4.5.2半橋應用中的並聯GaN晶體管64
4.6本章小結66
參考文獻67
第5章 GaN晶體管的建模和測量68
5.1引言68
5.2電學建模68
5.2.1建模基礎68
5.2.2基礎建模的局限性70
5.2.3電路模擬的局限性72
5.3GaN晶體管性能測量73
5.3.1電壓測量要求75
5.3.2探測和測量技術77
5.3.3測量未接地參考信號79
5.3.4電流測量要求80
5.4本章小結80
參考文獻81
第6章散熱管理83
6.1引言83
6.2熱等效電路83
6.2.1引線框架封裝中的熱阻83
6.2.2芯片級封裝中的熱阻84
6.2.3結-環境熱阻85
6.2.4瞬態熱阻86
6.3使用散熱片提高散熱能力87
6.3.1散熱片和熱界面材料的選擇87
6.3.2用於底部冷卻的散熱片附件88
6.3.3用於多邊冷卻的散熱片附件89
6.4繫統級熱分析90
6.4.1具有分立GaN晶體管的功率級熱模型90
6.4.2具有單片GaN集成電路的功率級熱模型92
6.4.3多相繫統的熱模型93
6.4.4溫度測量94
6.4.5實驗表征96
6.4.6應用實例98
6.5本章小結101
參考文獻102
第7章硬開關拓撲105
7.1引言105
7.2硬開關損耗分析105
7.2.1GaN晶體管的硬開關過程106
7.2.2輸出電容COSS損耗108
7.2.3導通重疊損耗110
7.2.4關斷重疊損耗116
7.2.5柵極電荷QG損耗118
7.2.6反向導通損耗PSD118
7.2.7反向恢復電荷QRR損耗123
7.2.8硬開關品質因數123
7.3寄生電感對硬開關損耗的影響124
7.3.1共源電感LCS的影響125
7.3.2功率回路電感對器件損耗的影響126
7.4頻率對磁特性的影響129
7.4.1變壓器129
7.4.2電感130
7.5降壓變換器實例130
7.5.1與實驗測量值比較135
7.5.2考慮寄生電感136
7.6本章小結139
參考文獻139
第8章諧振和軟開關變換器141
8.1引言141
8.2諧振與軟開關技術141
8.2.1零電壓開關和零電流開關141
8.2.2諧振DC-DC變換器142
8.2.3諧振網絡組合142
8.2.4諧振網絡工作原理143
8.2.5諧振144
8.2.6軟開關DC-DC變換器144
8.3諧振和軟開關應用中的關鍵器件參數145
8.3.1輸出電荷QOSS145
8.3.2通過制造商數據表確定輸出電荷145
8.3.3GaN晶體管和硅 MOSFET輸出電荷比較147
8.3.4柵極電荷QG148
8.3.5諧振和軟開關應用中柵極電荷的確定148
8.3.6GaN晶體管和硅MOSFET柵極電荷比較148
8.3.7GaN晶體管和硅 MOSFET性能指標比較149
8.4高頻諧振總線變換器實例150
8.4.1諧振GaN和硅總線變換器設計152
8.4.2GaN和硅器件比較153
8.4.3零電壓開關轉換153
8.4.4效率和功率損耗比較155
8.4.5器件進一步改進對性能的影響157
8.5本章小結158
參考文獻158
第9章射頻性能160
9.1引言160
9.2射頻晶體管和開關晶體管的區別161
9.3射頻基礎知識162
9.4射頻晶體管指標163
9.4.1射頻晶體管高頻特性的確定164
9.4.2考慮散熱的脈衝測試165
9.4.3s參數分析166
9.5使用小信號s參數的放大器設計169
9.5.1條件穩定的雙邊晶體管放大器設計169
9.6放大器設計實例170
9.6.1匹配和偏置器的網絡設計172
9.6.2實驗驗證174
9.7本章小結176
參考文獻177
第10章 DC-DC功率變換179
10.1引言179
10.2非隔離DC-DC變換器179
10.2.1帶分立器件的12VIN-1.2VOUT降壓變換器179
10.2.212VIN-1VOUT單片半橋集成電路負載點模塊183
10.2.3更高頻12VIN單片半橋集成電路負載點模塊185
10.2.428VIN-3.3VOUT負載點模塊187
10.2.5大電流應用中帶並聯GaN晶體管的48VIN-12VOUT降壓變換器187
10

前言

原書前言
眾所周知，CMOS反相器和DRAM是組成數字信號處理器的兩個。幾十年的發展，利用摩爾定律提高反相器的開關速度和存儲器的存儲密度已經產生了難以想像的許多應用。電能的處理基於兩個功能模塊：功率開關和能量存儲器件，如電感和電容的能量存儲器。為了進一步縮小繫統的尺寸並提高繫統的性能，發展更高開關頻率的新型功率器件一直是人們追求的目標。
功率MOSFET自20世紀70年代中期發展以來，由於具有更快的開關速度，已經在很多應用領域代替了雙極型晶體管。時至今日，功率MOSFET已經發展到了理論極限，所以必須借助於軟開關技術纔可以進一步減少器件的開關損耗。然而，由於柵極驅動損耗仍然很大，所以限制了開關頻率在大多數應用中隻有幾百千赫茲。
近發展起來的GaN功率器件大大改善了品質因數，打開了通往兆赫茲工作頻率的大門。《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》介紹了GaN功率技術的一些設計實例和參考文獻，表明GaN功率器件的功率密度提高了5～10倍。然而，我們相信GaN功率器件潛在的貢獻不隻是提高效率和功率密度，它可能對我們的設計方法產生很大的影響，包括變換模式。原書前言
眾所周知，CMOS反相器和DRAM是組成數字信號處理器的兩個。幾十年的發展，利用摩爾定律提高反相器的開關速度和存儲器的存儲密度已經產生了難以想像的許多應用。電能的處理基於兩個功能模塊：功率開關和能量存儲器件，如電感和電容的能量存儲器。為了進一步縮小繫統的尺寸並提高繫統的性能，發展更高開關頻率的新型功率器件一直是人們追求的目標。
功率MOSFET自20世紀70年代中期發展以來，由於具有更快的開關速度，已經在很多應用領域代替了雙極型晶體管。時至今日，功率MOSFET已經發展到了理論極限，所以必須借助於軟開關技術纔可以進一步減少器件的開關損耗。然而，由於柵極驅動損耗仍然很大，所以限制了開關頻率在大多數應用中隻有幾百千赫茲。
近發展起來的GaN功率器件大大改善了品質因數，打開了通往兆赫茲工作頻率的大門。《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》介紹了GaN功率技術的一些設計實例和參考文獻，表明GaN功率器件的功率密度提高了5～10倍。然而，我們相信GaN功率器件潛在的貢獻不隻是提高效率和功率密度，它可能對我們的設計方法產生很大的影響，包括變換模式。
功率電子學是一門交叉學科。功率電子繫統的基本組成包括開關、儲能設備、電路拓撲、繫統封裝、電磁兼容、熱管理、EMC/EMI和制造考慮因素等。當開關頻率比較低時，這些組件之間的耦合比較小，當前是利用分離組件的設計方法解決這些問題。當設計的繫統具有更高的頻率時，組件通過緊密布局以小化可能的寄生效應，這不可避免地引入了不需要的電磁耦合和熱相互作用。
組件和電路之間這種日益復雜的關繫需要更加繫統化的設計方法，必須同時考慮電、磁、機械和熱等因素。而且，所有的組件必須在空間和時間上同時正常工作，這些挑戰促使電路設計者追求更加繫統化的設計方法。對於功率電子繫統，需要在功能級和子繫統級都具有可行性和實用性。這些集成組件作為繫統進一步集成化的基本構建模塊，與數字電子繫統相同，用這種方式可以使用標準化的組件實現。隨著制造業規模化經濟的發展，將大大降低功率電子設備的成本，並挖掘出許多以前因成本過高而被排除在外的新應用。
GaN技術將為今後的研究和技術創新提供發展機遇。Alex Lidow博士在《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》中提到，功率MOSFET花費了30多年的時間纔達到當前的發展程度。然而GaN功率技術仍處於發展的初期階段，所以需要時刻關注一些技術方面的挑戰。《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》比較詳細地分析了以下幾點問題：
1）高的dv/dt和di/dt說明現在大多數商用化的柵極驅動電路不適合用於GaN功率器件。第3章提供了很多在柵極驅動電路設計方面的重要方法。
2）器件封裝和電路布局至關重要。需要控制寄生效應不必要的影響，對此，需要軟開關技術。有關封裝和布局的一些重要問題在本書的第4～6章中詳細介紹。
3）高頻設計也很關鍵。當開關頻率超過2～3MHz時，磁性材料的選擇變得有限。另外，必須探索更具創造性的高頻磁性設計方法。近發表的論文提出了新的設計方法，這些新的設計方法與常規方法不同，獲得了有價值的新結果。
4）高頻對EMI/EMC的影響尚待探索。
Alex Lidow博士是功率半導體領域備受尊敬的研究者，一直處於新技術引領發展的前沿。在擔任國際整流器公司首席執行官的同時，他在21世紀初發起了對GaN技術的研究。他還帶領團隊開發了款集成的DrMOS和DirectFET，現在這些集成器件已經用於為新一代微處理器和許多其他應用提供電能。
《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》給功率半導體工程師提供了非常有價值的資料參考。從GaN器件物理、GaN器件特性和器件建模到器件和電路布局的考慮，以及柵極驅動設計、硬開關和軟開關的設計考慮等方面進行了分析。此外，《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用（原書第3版）》還進一步分析了GaN技術的新應用。
本書的5位作者中有3位來自美國電力電子繫統中心（CPES），他們與Alex Lidow博士一起努力開發新一代寬禁帶功率開關技術，這種新型寬禁帶功率開關技術是對傳統開關技術的挑戰。

博士
美國電力電子繫統中心主任
弗吉尼亞理工大學傑出教授

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