2016年, 第14卷, 第4期　刊出日期：2016-07-30

  

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SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
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  宽禁带功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

  谢少军,吴新科

  电源学报. 2016, 14(4): 0-s02.

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  相较于传统的硅器件，基于宽禁带半导体材料的功率电子器件在很多方面都体现出了优越的性能，符合功率变换器高效率、高工作温度及高功率密度的发展需求。近几年来，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件的制造技术发展迅速，多家公司推出了系列的商业化产品，宽禁带功率电子器件及其应用已成为当前电力电子学科研究热点之一。为集中展现宽禁带半导体器件及其应用方面的最新研究成果和进展，《电源学报》特别推出“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑。
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  第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战

  何亮,刘扬

  电源学报. 2016, 14(4): 1-13. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.1

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  氮化镓（GaN）材料具有优异的物理特性，非常适合于制作高温、高速和大功率电子器件，具有十分广阔的市场前景。Si衬底上GaN基功率开关器件是目前的主流技术路线，其中结型栅结构（p型栅）和共源共栅级联结构（Cascode）的常关型器件已经逐步实现产业化，并在通用电源及光伏逆变等领域得到应用。但是鉴于以上两种器件结构存在的缺点，业界更加期待能更充分发挥GaN性能的“真”常关MOSFET器件。而GaN MOSFET器件的全面实用化，仍然面临着在材料外延方面和器件稳定性方面的挑战。
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  选择区域外延槽栅结构GaN常关型MOSFET的研究

  杨帆,何亮,郑越,沈震,刘扬

  电源学报. 2016, 14(4): 14-20. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.14

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  高性能GaN常关型功率开关器件的实现是目前研究的热点。槽栅结构GaN常关型MOSFET以其栅压摆幅冗余度大、栅极漏电流小等优势受到广泛关注。制备槽栅结构GaN常关型MOSFET需要的刻蚀方法会在栅极沟道引入缺陷，影响器件的稳定性。首先，提出选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET，期望避免刻蚀对栅极沟道的损伤；再通过改进选择区域外延工艺（包括二次生长界面和异质结构界面的分离及抑制背景施主杂质），使得二次生长的异质结构质量达到标准异质结构水平。研究结果表明，选择区域外延方法能够有效保护栅极导通界面，使器件具备优越的阈值电压稳定性；同时也证明了选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET的可行性与优越性。
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  适用于电动汽车的SiC MOSFETPSpice仿真模型研究

  赵波,周哲,徐艳明,李虹,郑琼林

  电源学报. 2016, 14(4): 21-27. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.21

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  为了基于PSpice电路对电动汽车DC/DC变换器中的碳化硅（SiC）MOSFET的工作特性进行实时准确地仿真，针对SiC MOSFET提出了一种新型的电压控制电流源型VCCST（voltage-controlled current source type）PSpice仿真模型。首先，为了获得SiC MOSFET准确的静态特性建立了电压控制电流源作为SiC MOSFET的内核，以描述SiC MOSFET的转移特性和输出特性；然后，为了获得SiC MOSFET准确的动态特性，建立了基于电压控制电流源与恒定电容的栅漏电容（CGD）子电路模型，所提SiC MOSFET VCCST PSpice模型在简化参数提取方法的同时，能够满足模型准确性的要求；最后，建立的SiC MOSFET VCCST PSpice模型应用于Boost变换器进行仿真和实验，并对SiC MOSFET的特性进行测试。测试结果验证了所提SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的准确性和实时性，从而为SiC MOSFET在电动汽车DC/DC变换器中的设计和应用提供了便利。
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  改进型碳化硅MOSFETs Spice电路模型

  李勇杰,陈伟伟,周郁明

  电源学报. 2016, 14(4): 28-31. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.28

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  在高温、高压和高频的电力电子应用中，碳化硅（SiC) MOSFETs展现出了巨大的潜力。为了在宽温度范围内更准确地反映SiC MOSFETs的转移特性，提出了一种简化的含温控电源的SiC MOSFETs的Spice电路模型。温控模型的引入补偿了器件在宽温度范围内阈值电压的变化率和跨导系数，在LTspice电路仿真软件中模拟了SiC MOSFETs在25℃和125℃下的转移特性。与现有的模型相比，仿真结果与实测数据的吻合度得到了进一步的提高。
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  1200 V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

  李磊,宁圃奇,温旭辉,张栋

  电源学报. 2016, 14(4): 32-38,58. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.32

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  搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路，对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究，分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明，SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力；在同样的工作条件下， SiC MOSFET损耗更小，适合在高频率、大功率场合下使用；SiC MOSFET的跨导低，导通电阻大，所以门极驱动电压需要比较大的摆幅（-5/+20 V）；由于开关速度很快，SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。
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  SiC MOSFET特性及其应用的关键技术分析

  张斌锋,许津铭,钱强,张曌,谢少军

  电源学报. 2016, 14(4): 39-51. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.39

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  SiC MOSFET（silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）以其优越的特性受到国内外学者的广泛关注，采用SiC器件的变换器能够采用高的开关频率、适应高温工作，实现高的功率密度，在一些应用场合能够代替Si基高频开关器件而显著提高电能变换装置的性能。然而，SiC器件与Si器件存在较大的差异，在实际应用中直接替换使用会存在诸多的问题，例如提高工作频率后产生的桥臂串扰、电磁干扰EMI（electromagnetic interference）等问题。目前已有大量关于SiC MOSFET应用研究的文献，但大部分都是针对SiC MOSFET应用中个别问题的研究，尚缺少对SiC MOSFET应用研究成果的系统性归纳与总结的文献。首先基于对SiC MOSFET与Si MOSFET/IGBT（insulated gate bipolar transistor）的静态、动态特性的对比，总结出SiC MOSFET在实际应用中需要关注的重点特性；然后从SiC MOSFET建模、驱动电路设计、EMI抑制以及拓扑与控制方式的选择等方面对已有的研究成果进行归纳与评述；最后指出了SiC MOSFET在应用中所需要研究解决的关键问题。
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  基于碳化硅功率器件的宽输入电压双管正激式直流电源研究

  王长庚,谢敬仁,沙龙

  电源学报. 2016, 14(4): 52-58. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.52

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  提出了一种高输出功率、宽输入电压范围、良好输出动态特性的太阳能并网逆变器供电电源。该电源采用碳化硅SiC双管正激电路拓扑，输出功率为1 000 W，通过高效的PWM调制控制，可以保证在电池板电压变化很宽的范围内，电源输出直流电压的稳定。首先介绍了碳化硅SiC功率器件的主要特性，分析了双管正激电路拓扑的原理及优点，同时对一些碳化硅SiC-MOSFET等关键器件和碳化硅SiC-MOSFET驱动电路和转化效率进行了分析，并对电源进行了大量的验证实验。验证结果证明了该设计的可行性和优越性。
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  基于新型1200 V碳化硅(SiC)MOSFET的三相双向逆变器的研究

  刘学超,黄建立,叶春显

  电源学报. 2016, 14(4): 59-65,81. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.59

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  研究了基于新一代宽禁带1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET三相双向逆变器，由于SiC MOSFET的高耐压、低损耗、高开关频率特性，逆变电路的拓扑结构得到简化，并提高了功率密度和可靠性。同时，利用碳化硅MOSFET的双向第三象限导通特性，与硅基IGBT相比省略了开关器件的反并联二极管。20 kVA实验样机验证了在该中大功率三相双向逆变器中SiC MOSFET 相比硅基IGBT方案的优势。
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  SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究

  葛小伟,张瞾,曹鸿,谢少军

  电源学报. 2016, 14(4): 66-72. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.66

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  航空静止变流器实现机载直流电到交流电的转换，对功率密度、效率、环境适应性、可靠性和电气性能等有较高的要求。碳化硅（SiC）半导体器件的开关速度快、高温特性好，在航空静止变流器中有很好的应用前景，但目前关于宽禁带器件在航空静止变流器中应用的研究比较少。首先结合现有的典型航空静止变流器电路拓扑分析了SiC MOSFET应用的关键问题；然后针对航空静止变流器逆变级的两级级联半桥逆变器，对比分析了应用SiC MOSFET与Si MOSFET的损耗大小，分析结果表明在现采用的开关频率下，即使现有SiC MOSFET导通损耗较大，但总损耗仍较小；且开关频率越高，SiC MOSFET的效率优势越明显，最后为适应高开关频率SiC MOSFET逆变器的需要设计了一种适应高开关频率和宽占空比变化信号的SiC MOSFET驱动电路,搭建了1台500 VA、115 V/400 Hz两级级联半桥逆变器实验样机，并验证了应用SiC MOSFET的航空静止变流器逆变级的可行性。
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  基于碳化硅MOSFET的99.2%高效率功率因数校正器

  严阳,吴新科,盛况

  电源学报. 2016, 14(4): 73-81. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.73

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  半桥功率因数校正PFC（power factor correction）拓扑由于其具有较少的电流回路器件数，因而导通损耗小、效率高。但是，该拓扑中开关器件电压应力大，因此如果选用高压的IGBT作为开关器件，则开关损耗很大。新型的碳化硅MOSFET由于兼顾了高耐压与低通态电阻，其具有较小的开关损耗，可以降低开关损耗，尤其是关断损耗。但由于高频工作时其开通损耗仍然较大，严重制约变换器效率的提高。因此，利用碳化硅MOSFET优良的开关特性，采用电感电流三角波模式（TCM）的控制方式，使器件工作在零电压开通状态下，进一步降低开关损耗。针对这种控制方式，详细叙述了各个关键参数的计算，并设计搭建了一台1 100 W的全碳化硅半桥功率因数校正变换器，其达到了较高的效率，峰值效率达到了99.2%。
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  基于GaN FETs的高频半桥谐振变换器分析与设计

  管乐诗,卞晴,刘宾,王懿杰,张相军,徐殿国,王卫

  电源学报. 2016, 14(4): 82-89. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.82

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  随着Si材料半导体器件性能逐步达到瓶颈，宽禁带半导体器件（GaN、SiC）在诸多方面展现出了很好的性能，如低导通阻抗，小输入、输出电容等，这些特性使得GaN和SiC器件能够应用在更高的开关频率条件，从而提高系统的功率密度。针对基于GaN FETs 构成的高频半桥谐振变换器进行设计，分析了高频条件下寄生电感参数对系统驱动电压及漏源极电压的影响，同时分析了高频条件下系统电压电流测量所需注意的事项及影响因素，为高频条件下GaN FETs的应用提供一定的帮助。
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  基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

  胡官昊,陈万军,施宜军,周琦,张波

  电源学报. 2016, 14(4): 90-95,127. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.90

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  氮化镓功率器件以其优异的高速、高效特性而有望在电源转换领域取得广泛应用。在Buck开关电源应用中，系统采用GaN HEMT替换传统Si 功率器件后，系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素。针对GaN器件的电源转换系统死区功耗展开理论及仿真讨论，详细分析Si功率器件与GaN HEMT在buck型开关电源系统中不同的工作机制以及死区时间对系统功耗的影响。优化结果表明，输入电压为12 V、输出电压为1.2 V、开关频率为700 kHz的GaN基电源转换系统，在死区时间T_d1=20 ns、T_d2=0 ns、负载电流为20 A的情况下系统转换效率可达到92%。
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  基于GaN器件LLC谐振变换器的平面变压器优化设计

  谭琳琳,王康平,宇文甸,杨旭

  电源学报. 2016, 14(4): 96-102. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.96

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  现代开关电源的发展呈现高效率和高功率密度的趋势。基于GaN器件LLC谐振变换器，采用同步整流技术，通过平面变压器的设计和结构优化大大减小了变换器的高度和体积，同时也减少损耗，提高了系统的功率密度和效率。搭建了1 MHz/120 W同步整流LLC谐振变换器硬件电路，对设计进行了实验验证。样机的功率密度达到了262 W/in³，最高效率达到了94.9%。
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  基于封装集成技术的高功率密度碳化硅单相逆变器

  李宇雄,黄志召,方建明,陈材,康勇

  电源学报. 2016, 14(4): 103-111. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.103

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  针对目前家用光伏系统、电动汽车（EV）和航空航天等领域中对单相逆变器的高功率密度需求，首先提出了一种基于新型碳化硅（SiC）功率模块的高功率密度单相集成逆变器。该单相逆变器采用直流侧并联Boost APF抑制二次纹波，以此减小直流侧电容；采用高频低损的新型宽禁带SiC器件，将boost APF和逆变器的开关频率提高到100 kHz，显著地减小无源元件的体积。再提出一种新型高功率密度低感全SiC半桥混合封装结构，其尺寸仅为10 mm×20.5 mm，可以极大地减小杂散电感，显著降低了器件的开关应力、EMI干扰及开关损耗；通过采用直接散热结构，并对散热器及整机热流动进行优化设计，使得装置实现高效散热。最后，基于封装集成技术，研制出一台全数字控制的2 kW、功率密度58.8 W/in³、CEC效率高达97.3%及最大效率98.3%的高功率密度单相逆变器。
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  共源极电感对SiC MOSFET开关损耗影响的研究

  董泽政,吴新科,盛况,张军明

  电源学报. 2016, 14(4): 112-118. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.112

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  共源极电感同时存在于功率MOSFET的功率回路和门极驱动回路中，影响器件的开关特性和开关损耗。共源极电感的影响将随着器件开关速度和开关频率的提高而显得更为严重。碳化硅（SiC）MOSFET相对于硅器件的材料优势使其可以实现更快速的开关过程，共源极电感的影响更加需要考虑。首先分析了现有功率开关损耗测量方法的优劣，然后选用一种通过测量结温升和热阻的方法来测量SiC MOSFET的开关损耗，最后搭建了一台输出功率1 kW、输出电压800 V的全碳化硅Boost样机，从100 kHz到500 kHz进行实验验证。实验结果表明，当不含共源极电感时SiC MOSFET的开通损耗、关断损耗均有所减小。
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  宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用

  董耀文,秦海鸿,付大丰,徐华娟,严仰光

  电源学报. 2016, 14(4): 119-127. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.119

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  硅基电力电子器件经过长期的发展，其性能已经逼近其材料极限，很难再大幅提升硅基电力电子装置的性能。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能，成为电力电子器件新的研究发展方向。首先主要介绍了电动汽车对电力电子变换器的要求及宽禁带器件的发展，然后对宽禁带器件在电动汽车中的研究现状进行了分析和展望，最后指出了宽禁带器件在电动汽车应用中面临的主要问题。
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  耐高温变换器研究进展及综述

  谢昊天,秦海鸿,董耀文,徐华娟,付大丰,严仰光

  电源学报. 2016, 14(4): 128-138. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.128

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  耐高温变换器在多电飞机、电动汽车和石油钻井等恶劣环境中具有十分重要的应用价值。碳化硅功率器件具有高结温工作能力、较低损耗以及良好的温度稳定性，有利于实现耐高温变换器。首先简要阐述了耐高温变换器的应用领域和SiC基耐高温变换器各组成部分的技术发展现状，再介绍了SiC基耐高温变换器应用实例，最后探讨了SiC基耐高温变换器的关键问题和发展前景。
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  高压SiC器件在FREEDM系统中的应用

  倪喜军

  电源学报. 2016, 14(4): 139-146. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.139

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  碳化硅SiC（silicon carbide）是目前最为成熟的宽禁带半导体材料之一，在高压、高温、高频等领域，碳化硅器件的研究和应用已成为当前的研究热点。针对碳化硅器件目前的生产使用状况，简述了与碳化硅主要生产商CREE紧密合作的FREEDM中心的研究情况，重点分析了高压SiC MOSFET，IGBT，ETO，JFET在SST（Solid State Transformer）和FID（Fault Isolation Device）中的应用。针对各类器件本身的特性，FREEDM中心有针对性的选择了相关应用领域，并开发了多代SST和FID的拓扑，许多重要的研究成果引领了全球高压SiC器件的研究趋势。
其他
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  双馈风电机组并网次同步振荡研究

  禹华军

  电源学报. 2016, 14(4): 147-151. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.147

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  基于次同步振荡理论，研究了双馈风电机组在弱电网并网情况下的机组脱网问题。研究发现，输电线路的串补投入和变流器控制策略对低频振荡敏感的因素导致了次同步振荡的发生。论文提出一种在网侧变流器加入带阻尼特性的特定滤波器策略，能够有效抑制风电机组与电网之间的振荡。仿真验证了该方法的有效性。