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2版）

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氮化鎵（GaN）是一項有望取代功率晶體管中硅MOSFET的新興技術。隨著硅基功率晶體管接近其性能極限，而GaN晶體管能夠提供出色的導電性和開關特性，這使得設計人員能夠大大降低繫統的功耗、尺寸、重量和成本。《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用》（原書第2版）是在第1版基礎上進行了內容擴展並及時出版，使學生和電源轉換工程師能學到GaN技術的新知識。GaN晶體管不是當前硅基MOSFET技術的替代品。本書可作為理解GaN晶體管結構、特性和應用的實用指南，其中包括對這些功率半導體的基礎物理學、版圖布局和電路設計的討論，以及采用GaN器件時設計技術的具體應用實例。由於具有更高頻率的開關功能，GaN器件有助於提高現有應用（如DC-DC變換）的效率，同時為包括無線電能傳輸和包絡跟蹤在內的新應用開啟可能性。本書是必不可少的學習工具和參考指南，可幫助電源轉換工程師使用GaN晶體管設計節能、更小、更具成本效益的產品。
《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用》（原書第2版）主要特色如下：
 1）由功率半導體領域的領導者以及GaN功率晶體管技術和應用領域的行業先鋒撰寫。
 2）包含有關器件電路交互的討論，這是非常有價值的，因為高性能GaN功率晶體管需要精心設計的驅動/控制電路纔能充分發揮其性能潛力。
3）在構建使用GaN晶體管的功率變換繫統時，制定了特定電路設計的實用指南（可以登錄配套網站www.wiley.com/go/gan_transistors了解更多詳情）。
 4）為專業工程師和繫統設計人員提供寶貴的學習資源，幫助他們充分了解新型功率器件。

內容簡介

《氮化鎵功率晶體管——器件、電路與應用》（原書第2版）共包括11章：第1章概述了氮化鎵(GaN)技術；第2章介紹了GaN晶體管的器件物理；第3章介紹了GaN晶體管的驅動；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章詳細介紹了硬開關技術；第7章詳細介紹了軟開關技術和變換器；第8章介紹了GaN晶體管射頻特性；第9章討論了GaN晶體管的空間應用；第10章列舉了GaN晶體管的應用實例；第11章分析了GaN晶體管替代硅功率晶體管的原因。

作者簡介

Alex Lidow是宜普電源轉換（Efficient Power Conversion，EPC）公司的首席執行官。在成立EPC公司之前，Lidow博士是國際整流器（International Rectifier，IR）公司的首席執行官。作為HEXFET MOSFET（六角形原胞功率MOSFET）的共同發明人，Lidow博士在功率半導體技術方面擁有多項專利，並撰寫了多部功率半導體技術方面的專著。Lidow博士於1975年獲得加州理工學院學士學位，並於1977年獲得斯坦福大學博士學位。

Johan Strydom是EPC公司應用副總裁。於2001年在蘭德阿非利加大學（現稱為約翰內斯堡大學）獲得博士學位，從1999年到2002年，他在弗吉尼亞理工大學電力電子繫統中心（CPES）擔任博士後研究員。Strydom博士現在國際整流器公司和凌特公司（Linear Technology Corporation）擔任應用工程師，負責DC-DC變換器、電機驅動和D類音頻功率放大器的研究工作。
Alex Lidow是宜普電源轉換（Efficient Power Conversion，EPC）公司的首席執行官。在成立EPC公司之前，Lidow博士是國際整流器（International Rectifier，IR）公司的首席執行官。作為HEXFET MOSFET（六角形原胞功率MOSFET）的共同發明人，Lidow博士在功率半導體技術方面擁有多項專利，並撰寫了多部功率半導體技術方面的專著。Lidow博士於1975年獲得加州理工學院學士學位，並於1977年獲得斯坦福大學博士學位。

Johan Strydom是EPC公司應用副總裁。於2001年在蘭德阿非利加大學（現稱為約翰內斯堡大學）獲得博士學位，從1999年到2002年，他在弗吉尼亞理工大學電力電子繫統中心（CPES）擔任博士後研究員。Strydom博士現在國際整流器公司和凌特公司（Linear Technology Corporation）擔任應用工程師，負責DC-DC變換器、電機驅動和D類音頻功率放大器的研究工作。

Michael de Rooij博士是EPC公司應用工程執行總監。在加入EPC公司之前，曾在Windspire能源公司工作，幫助開發下一代小型垂直軸風力發電機組逆變器。此外，Michael de Rooij博士還曾擔任GE全球研究中心的高級工程師。 Michael de Rooij博士的研究興趣包括固態高頻功率變換器、不間斷電源、功率電子變換器集成技術、功率電子封裝、感應加熱、光電轉換器、磁共振成像繫統和具有保護功能的柵極驅動器等。Michael de Rooij博士是IEEE的高級會員，獲得蘭德阿非利加大學（現稱為約翰內斯堡大學）博士學位。

David Reusch是EPC公司的應用總監，擁有弗吉尼亞理工大學電子工程專業學士、碩士和博士學位。在攻讀博士學位期間，Reush博士是電力電子繫統中心（CPES）的布拉德利研究員。Reusch博士擁有豐富的GaN晶體管設計經驗，能通過設計滿足功率變換器中更低損耗和更高功率密度的需求。他積極參與IEEE的組織工作，並在APEC和ECCE會議上發表多篇論文。

譯者序
前言
致謝
作者簡介
譯者簡介
第1章 GaN技術概述
11.1硅功率MOSFET （1976～2010）1
1.2GaN基功率器件2
1.3GaN材料特性2
1.3.1禁帶寬度（Eg）3
1.3.2臨界擊穿電場（Ecrit）3
1.3.3導通電阻（RDS(on)）4
1.3.4二維電子氣（2DEG）4
1.4GaN晶體管的基本結構6譯者序
前言
致謝
作者簡介
譯者簡介
第1章 GaN技術概述
11.1硅功率MOSFET （1976～2010）1
1.2GaN基功率器件2
1.3GaN材料特性2
1.3.1禁帶寬度（Eg）3
1.3.2臨界擊穿電場（Ecrit）3
1.3.3導通電阻（RDS(on)）4
1.3.4二維電子氣（2DEG）4
1.4GaN晶體管的基本結構6
1.4.1凹槽柵增強型結構 7
1.4.2注入柵增強型結構7
1.4.3p型GaN柵增強型結構8
1.4.4共源共柵混合增強型結構 8
1.4.5GaN HEMT晶體管反向導通9
1.5GaN晶體管的制備10
1.5.1襯底材料的選擇10
1.5.2異質外延技術10
1.5.3晶圓處理12
1.5.4器件與外部的電氣連接13
1.6本章小結15
參考文獻16
第2章 GaN晶體管電氣特性18
2.1引言18
2.2關鍵器件參數18
2.2.1擊穿電壓（BVDSS）和洩漏電流（IDSS）18
2.2.2導通電阻（RDS(on)）22
2.2.3閾值電壓(VGS(th)或Vth)25
2.3電容和電荷27
2.4反向傳導28
2.5熱阻31
2.6瞬態熱阻33
2.7本章小結34
參考文獻34
第3章驅動GaN晶體管36
3.1引言36
3.2柵極驅動電壓38
3.3自舉和浮動電源40
3.4dv/dt抗性41
3.5di/dt抗擾性43
3.6接地反彈45
3.7共模電流46
3.8柵極驅動器邊沿速率47
3.9驅動共源共柵GaN器件47
3.10本章小結49
參考文獻49
第4章 GaN晶體管電路布局51
4.1引言51
4.2減小寄生電感51
4.3常規功率環路設計54
4.4優化功率環路55
4.5並聯GaN晶體管56
4.5.1單個開關中應用的並聯GaN晶體管56
4.5.2半橋應用的並聯GaN晶體管60
4.6本章小結63
參考文獻63
第5章 GaN晶體管的建模和測量64
5.1引言64
5.2電氣建模64
5.2.1基礎建模64
5.2.2基礎建模的局限66
5.2.3電路建模的局限68
5.3熱建模69
5.3.1提高熱性能70
5.3.2多芯片裸片建模72
5.3.3復雜繫統建模74
5.4GaN晶體管性能測量75
5.4.1電壓測量要求76
5.4.2電流測量要求78
5.5本章小結79
參考文獻79
第6章硬開關拓撲81
6.1引言81
6.2硬開關損耗分析82
6.2.1開關損耗83
6.2.2輸出電容（COSS）損耗87
6.2.3柵極電荷（QG）損耗87
6.2.4反向導通損耗（PSD）88
6.2.5反向恢復（QRR）損耗90
6.2.6硬開關總損耗90
6.2.7硬開關的品質因數90
6.3影響硬開關損耗的外部因素91
6.3.1共源電感的影響92
6.3.2高頻功率環路電感對器件損耗的影響93
6.4減少GaN晶體管的體二極管傳導損耗96
6.5頻率對磁性的影響99
6.5.1變壓器99
6.5.2電感100
6.6降壓變換器實例100
6.6.1輸出電容損耗102
6.6.2柵極功耗（PG）103
6.6.3體二極管導通損耗（PSD）105
6.6.4開關損耗（Psw）108
6.6.5總動態損耗（PDynamic）109
6.6.6導通損耗（PConduction）109
6.6.7器件總硬開關損耗（PHS）110
6.6.8電感損耗（PL）110
6.6.9降壓變換器預估總損耗（PTotal）111
6.6.10考慮共源電感的降壓變換器損耗分析111
6.6.11降壓變換器的實驗結果113
6.7本章小結114
參考文獻114
第7章諧振和軟開關變換器116
7.1引言116
7.2諧振與軟開關技術116
7.2.1零電壓和零電流開關116
7.2.2諧振DC-DC變換器117
7.2.3諧振網絡組合117
7.2.4諧振網絡工作原理118
7.2.5諧件120
7.2.6軟開關DC-DC變換器121
7.3用於諧振和軟開關應用的關鍵器件參數121
7.3.1輸出電荷（QOSS）121
7.3.2通過制造商數據表確定輸出電荷122
7.3.3比較GaN晶體管和硅MOSFET的輸出電荷123
7.3.4柵極電荷（QG）123
7.3.5諧振和軟開關應用中柵極電荷的確定124
7.3.6GaN晶體管和硅MOSFET的柵極電荷的比較125
7.3.7GaN晶體管和硅MOSFET的性能指標的比較125
7.4高頻諧振總線轉換器實例127
7.4.1共振GaN和硅總線轉換器設計129
7.4.2GaN和硅器件的比較130
7.4.3零電壓開關轉換131
7.4.4效率和功耗比較132
7.5本章小結134
參考文獻135
第8章射頻性能136
8.1引言136
8.2射頻晶體管和開關晶體管的區別137
8.3射頻基礎知識139
8.4射頻晶體管指標140
8.4.1確定射頻FET的高頻特性142
8.4.2散熱考慮的脈衝測試142
8.4.3s參數分析144
8.5使用小信號s參數的放大器設計147
8.5.1條件穩定的雙側晶體管放大器設計147
8.6放大器設計實例148
8.6.1匹配和偏置器網絡設計151
8.6.2實驗驗證153
8.7本章小結155
參考文獻156
第9章 GaN晶體管的空間應用157
9.1引言157
9.2失效機理157
9.3輻射標準和容差158
9.4伽馬輻射和容差158
9.5單粒子效應（SEE）測試159
9.6GaN晶體管與Rad-Hard硅MOSFET的性能比較160
9.7本章小結162
參考文獻162
第10章應用實例163
10.1引言163
10.2非隔離式DC-DC變換器163
10.2.112VIN-1.2VOUT降壓變換器164
10.2.2 28VIN-3.3VOUT點負載模塊168
10.2.3應用於大電流場合並聯GaN晶體管的48VIN-12VOUT降壓變換器169
10.3隔離式DC-DC變換器174
10.3.1硬開關中間總線轉換器175
10.3.2 400 V LLC諧振變換器184
10.4D類音頻185
10.4.1總諧波失真185
10.4.2阻尼繫數185
10.4.3D類音頻放大器實例187
10.5包絡跟蹤189
10.5.1高頻GaN晶體管190
10.5.2包絡跟蹤實驗結果191
10.5.3柵極驅動器的局限性192
10.6高共振無線能量傳輸194
10.6.1無線能量傳輸的設計要素196
10.6.2無線能

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，通過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。電能的處理是基於兩個功能模塊：電感和電容的能量存儲器，以及開關電源。為了進一步減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業界追求的目標。
功率MOSFET自從20世紀70年代中期發展以來，由於具有更高的開關速度，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，因為柵極驅動損耗仍然很大，所以限制了開關頻率隻有幾萬赫茲。
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。本書通過介紹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了效率和功率密度，它可能對我們的設計方法產生很大的影響，包括轉換模式。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，通過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。電能的處理是基於兩個功能模塊：電感和電容的能量存儲器，以及開關電源。為了進一步減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業界追求的目標。
功率MOSFET自從20世紀70年代中期發展以來，由於具有更高的開關速度，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，因為柵極驅動損耗仍然很大，所以限制了開關頻率隻有幾萬赫茲。
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。本書通過介紹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了效率和功率密度，它可能對我們的設計方法產生很大的影響，包括轉換模式。
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、能量存儲器、電路拓撲、繫統封裝、電磁兼容、熱管理、EMC/EMI和制造等。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。並且，大規模化制造將使功率電子器件的成本顯著降低。
GaN技術將為今後的研究和技術創新提供發展機遇。Alex Lidow博士在本書中提到，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。本書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，需要軟切換技術。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，他一直處於新技術引領發展的前沿。他在擔任國際整流器公司首席執行官的同時，在21世紀初發起了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2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，本書還進一步分析了GaN技術的新應用。
本書的四位作者中有三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帶隙功率開關技術，這種新型寬帶隙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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