氮化镓功率晶体管 器件、电路与应用（原书第3版）

《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》共17章，第1章概述了氮化镓（GaN）技术；第2章为GaN晶体管的器件物理；第3章介绍了GaN晶体管驱动特性；第4章介绍了GaN晶体管电路的版图设计；第5章讨论了GaN晶体管的建模和测量；第6章介绍了GaN晶体管的散热管理；第7章介绍了硬开关技术；第8章介绍了软开关技术和变换器；第9章介绍了GaN晶体管射频性能；第10章介绍了DC-DC功率变换；第11章讨论了多电平变换器设计；第12章介绍了D类音频放大器；第13章介绍了GaN晶体管在激光雷达方面的应用；第14章介绍了包络跟踪技术；第15章讨论了高谐振无线电源；第16章讨论了GaN晶体管的空间应用；第17章分析了GaN晶体管替代硅功率晶体管的原因。
《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》适合作为从事GaN功率半导体技术研究的科研工作者、工程师、高年级本科生和研究生的参考书，也可以作为高等院校微电子科学与工程、集成电路科学与工程、电力电子技术专业的教材。

Alex Lidow博士，美国宜普电源转换（EPC）公司CEO、国际整流器公司原CEO，获得斯坦福大学博士学位。
Michael de Rooij博士，美国EPC公司应用工程副总裁，获得约翰内斯堡大学博士学位。
Johan Strydom博士，美国德州仪器公司Kilby实验室的高级开发经理，获得约翰内斯堡大学博士学位。
David Reusch博士，美国VPT公司首席科学家，获得弗吉尼亚理工大学博士学位。
John Glaser，美国EPC公司应用工程总监。

1）美国EPC公司CEO、国际整流器公司原CEO著作，全彩色印刷，理解GaN晶体管结构、特性和应用的实用指南。
2）系统全面介绍氮化镓（GaN）技术及其应用的经典著作，获得了国际上众多知名专家的推荐。
3）第3版更新了35%的内容，包括散热管理、多电平变换器、高谐振无线电源和激光雷达等新章节。
4）在使用GaN晶体管构建功率变换系统时，提供了有关特定电路的实用设计。
5）适合从事GaN功率半导体技术研究的科研工作者、工程师、高年级本科生和研究生使用，对于从事其他功率半导体技术的研究也具有借鉴意义。

原书前言
众所周知，CMOS反相器和DRAM是组成数字信号处理器的两个基本单元。几十年的发展，利用摩尔定律提高反相器的开关速度和存储器的存储密度已经产生了难以想象的许多应用。电能的处理基于两个功能模块：功率开关和能量存储器件，如电感和电容的能量存储器。为了进一步缩小系统的尺寸并提高系统的性能，发展更高开关频率的新型功率器件一直是人们追求的目标。
功率MOSFET自20世纪70年代中期发展以来，由于具有更快的开关速度，已经在很多应用领域代替了双极型晶体管。时至今日，功率MOSFET已经发展到了理论极限，所以必须借助于软开关技术才可以进一步减少器件的开关损耗。然而，由于栅极驱动损耗仍然很大，所以限制了开关频率在大多数应用中只有几百千赫兹。
最近发展起来的GaN功率器件大大改善了品质因数，打开了通往兆赫兹工作频率的大门。《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》介绍了GaN功率技术的一些设计实例和参考文献，表明GaN功率器件的功率密度提高了5～10倍。然而，我们相信GaN功率器件潜在的贡献不只是提高效率和功率密度，它可能对我们的设计方法产生很大的影响，包括变换模式。
功率电子学是一门交叉学科。功率电子系统的基本组成包括开关、储能设备、电路拓扑、系统封装、电磁兼容、热管理、EMC/EMI和制造考虑因素等。当开关频率比较低时，这些组件之间的耦合比较小，当前是利用分离组件的设计方法解决这些问题。当设计的系统具有更高的频率时，组件通过紧密布局以最小化可能的寄生效应，这不可避免地引入了不需要的电磁耦合和热相互作用。
组件和电路之间这种日益复杂的关系需要更加系统化的设计方法，必须同时考虑电、磁、机械和热等因素。而且，所有的组件必须在空间和时间上同时正常工作，这些挑战促使电路设计者追求更加系统化的设计方法。对于功率电子系统，需要在功能级和子系统级都具有可行性和实用性。这些集成组件作为系统进一步集成化的基本构建模块，与数字电子系统相同，用这种方式可以使用标准化的组件实现。随着制造业规模化经济的发展，将大大降低功率电子设备的成本，并挖掘出许多以前因成本过高而被排除在外的新应用。
GaN技术将为今后的研究和技术创新提供发展机遇。Alex Lidow博士在《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》中提到，功率MOSFET花费了30多年的时间才达到当前的发展程度。然而GaN功率技术仍处于发展的初期阶段，所以需要时刻关注一些技术方面的挑战。《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》比较详细地分析了以下几点问题：
1）高的dv/dt和di/dt说明现在大多数商用化的栅极驱动电路不适合用于GaN功率器件。第3章提供了很多在栅极驱动电路设计方面的重要方法。
2）器件封装和电路布局至关重要。需要控制寄生效应不必要的影响，对此，需要软开关技术。有关封装和布局的一些重要问题在本书的第4～6章中详细介绍。
3）高频设计也很关键。当开关频率超过2～3MHz时，磁性材料的选择变得有限。另外，必须探索更具创造性的高频磁性设计方法。最近发表的论文提出了新的设计方法，这些新的设计方法与常规方法不同，获得了有价值的新结果。
4）高频对EMI/EMC的影响尚待探索。
Alex Lidow博士是功率半导体领域备受尊敬的研究者，一直处于新技术引领发展的前沿。在担任国际整流器公司首席执行官的同时，他在21世纪初发起了对GaN技术的研究。他还带领团队开发了第一款集成的DrMOS和DirectFET，现在这些集成器件已经用于为新一代微处理器和许多其他应用提供电能。
《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》给功率半导体工程师提供了非常有价值的资料参考。从GaN器件物理、GaN器件特性和器件建模到器件和电路布局的考虑，以及栅极驱动设计、硬开关和软开关的设计考虑等方面进行了分析。此外，《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用（原书第3版）》还进一步分析了GaN技术的新应用。
本书的5位作者中有3位来自美国电力电子系统中心（CPES），他们与Alex Lidow博士一起努力开发新一代宽禁带功率开关技术，这种新型宽禁带功率开关技术是对传统开关技术的挑战。

李泽元博士
美国电力电子系统中心主任
弗吉尼亚理工大学杰出教授

译者序
原书前言
致谢
第1章 GaN技术概述1
1.1硅功率MOSFET（1976～2010年）1
1.2GaN基功率器件1
1.3GaN和SiC材料与硅材料的比较2
1.3.1禁带宽度Eg3
1.3.2临界电场Ecrit3
1.3.3导通电阻RDS（on）3
1.3.4二维电子气4
1.4GaN晶体管的基本结构5
1.4.1凹槽栅增强型结构6
1.4.2注入栅增强型结构7
1.4.3pGaN栅增强型结构7
1.4.4混合增强型结构7
1.4.5GaN HEMT反向导通8
1.5GaN晶体管的制备9
1.5.1衬底材料的选择9
1.5.2异质外延技术10
1.5.3晶圆处理11
1.5.4器件与外部的电气连接12
1.6GaN集成电路13
1.7本章小结16
参考文献16
第2章 GaN晶体管的电气特性19
2.1引言19
2.2器件的额定值19
2.2.1漏源电压19
2.3导通电阻RDS(on)23
2.4阈值电压25
2.5电容和电荷27
2.6反向传输29
2.7本章小结31
参考文献31
第3章 GaN晶体管的驱动特性33
3.1引言33
3.2栅极驱动电压34
3.3栅极驱动电阻36
3.4用于栅极注入晶体管的电容电流式栅极驱动电路37
3.5dv/dt抗扰度39
3.5.1导通时dv/dt控制39
3.5.2互补器件导通39
3.6di/dt抗扰度42
3.6.1器件导通和共源电感42
3.6.2关断状态器件di/dt43
3.7自举和浮动电源 43
3.8瞬态抗扰度46
3.9考虑高频因素48
3.10增强型GaN晶体管的栅极驱动器48
3.11共源共栅、直接驱动和高压配置49
3.11.1共源共栅器件49
3.11.2直接驱动器件51
3.11.3高压配置51
3.12本章小结52
参考文献52
第4章 GaN晶体管电路布局56
4.1引言56
4.2减小寄生电感56
4.3常规功率回路设计58
4.3.1横向功率回路设计58
4.3.2垂直功率回路设计59
4.4功率回路的优化59
4.4.1集成对于寄生效应的影响60
4.5并联GaN晶体管61
4.5.1单开关应用中的并联GaN晶体管61
4.5.2半桥应用中的并联GaN晶体管64
4.6本章小结66
参考文献67
第5章 GaN晶体管的建模和测量68
5.1引言68
5.2电学建模68
5.2.1建模基础68
5.2.2基础建模的局限性70
5.2.3电路模拟的局限性72
5.3GaN晶体管性能测量73
5.3.1电压测量要求75
5.3.2探测和测量技术77
5.3.3测量未接地参考信号79
5.3.4电流测量要求80
5.4本章小结80
参考文献81
第6章 散热管理83
6.1引言83
6.2热等效电路83
6.2.1引线框架封装中的热阻83
6.2.2芯片级封装中的热阻84
6.2.3结-环境热阻85
6.2.4瞬态热阻86
6.3使用散热片提高散热能力87
6.3.1散热片和热界面材料的选择87
6.3.2用于底部冷却的散热片附件88
6.3.3用于多边冷却的散热片附件89
6.4系统级热分析90
6.4.1具有分立GaN晶体管的功率级热模型90
6.4.2具有单片GaN集成电路的功率级热模型92
6.4.3多相系统的热模型93
6.4.4温度测量94
6.4.5实验表征96
6.4.6应用实例98
6.5本章小结101
参考文献102
第7章 硬开关拓扑105
7.1引言105
7.2硬开关损耗分析105
7.2.1GaN晶体管的硬开关过程106
7.2.2输出电容COSS损耗108
7.2.3导通重叠损耗110
7.2.4关断重叠损耗116
7.2.5栅极电荷QG损耗118
7.2.6反向导通损耗PSD118
7.2.7反向恢复电荷QRR损耗123
7.2.8硬开关品质因数123
7.3寄生电感对硬开关损耗的影响124
7.3.1共源电感LCS的影响125
7.3.2功率回路电感对器件损耗的影响126
7.4频率对磁特性的影响129
7.4.1变压器129
7.4.2电感130
7.5降压变换器实例130
7.5.1与实验测量值比较135
7.5.2考虑寄生电感136
7.6本章小结139
参考文献139
第8章 谐振和软开关变换器141
8.1引言141
8.2谐振与软开关技术141
8.2.1零电压开关和零电流开关141
8.2.2谐振DC-DC变换器142
8.2.3谐振网络组合142
8.2.4谐振网络工作原理143
8.2.5谐振开关单元144
8.2.6软开关DC-DC变换器144
8.3谐振和软开关应用中的关键器件参数145
8.3.1输出电荷QOSS145
8.3.2通过制造商数据表确定输出电荷145
8.3.3GaN晶体管和硅 MOSFET输出电荷比较147
8.3.4栅极电荷QG148
8.3.5谐振和软开关应用中栅极电荷的确定148
8.3.6GaN晶体管和硅MOSFET栅极电荷比较148
8.3.7GaN晶体管和硅 MOSFET性能指标比较149
8.4高频谐振总线变换器实例150
8.4.1谐振GaN和硅总线变换器设计152
8.4.2GaN和硅器件比较153
8.4.3零电压开关转换153
8.4.4效率和功率损耗比较155
8.4.5器件进一步改进对性能的影响157
8.5本章小结158
参考文献158
第9章 射频性能160
9.1引言160
9.2射频晶体管和开关晶体管的区别161
9.3射频基础知识162
9.4射频晶体管指标163
9.4.1射频晶体管高频特性的确定164
9.4.2考虑散热的脉冲测试165
9.4.3s参数分析166
9.5使用小信号s参数的放大器设计169
9.5.1条件稳定的双边晶体管放大器设计169
9.6放大器设计实例170
9.6.1匹配和偏置器的网络设计172
9.6.2实验验证174
9.7本章小结176
参考文献177
第10章 DC-DC功率变换179
10.1引言179
10.2非隔离DC-DC变换器179
10.2.1带分立器件的12VIN-1.2VOUT降压变换器179
10.2.212VIN-1VOUT单片半桥集成电路负载点模块183
10.2.3更高频12VIN单片半桥集成电路负载点模块185
10.2.428VIN-3.3VOUT负载点模块187
10.2.5大电流应用中带并联GaN晶体管的48VIN-12VOUT降压变换器187
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