寧圃奇

（中國(guó)科學(xué)院電工研究所）

作為世界廣泛認(rèn)為能替代硅（Si）的下一代半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、飽和漂移速率高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，寬禁帶器件在電動(dòng)汽車、無線充電、軌道交通、能源互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域均已示范運(yùn)行，光伏發(fā)電、車載充電、消費(fèi)類電子產(chǎn)品電源等應(yīng)用已準(zhǔn)商業(yè)化運(yùn)行。但寬禁帶器件的具體應(yīng)用技術(shù)，還有許多問題亟需研究與解決，有必要加速探索高溫、高頻、高效、成本優(yōu)化等方向的新技術(shù)。在此背景下，為集中展現(xiàn)寬禁帶器件前沿技術(shù)與應(yīng)用的最新研究進(jìn)展，《電源學(xué)報(bào)》特別推出“寬禁帶器件應(yīng)用技術(shù)”專輯。本專輯征文一共收到了15篇論文，經(jīng)過細(xì)致的評(píng)審，最終錄用論文11篇，其中芯片設(shè)計(jì)與工藝方面2篇、器件封裝方面1篇、器件測(cè)試與建模方面3篇、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)等應(yīng)用要點(diǎn)方面5篇。

芯片設(shè)計(jì)與新工藝是寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的核心元素，器件性能的進(jìn)步是各類應(yīng)用的基礎(chǔ)，芯片國(guó)產(chǎn)化是寬禁帶功率器件產(chǎn)業(yè)升級(jí)的要點(diǎn)。來自中國(guó)科學(xué)院微電子研究所的韓忠霖博士等在《平面柵SiC MOSFET設(shè)計(jì)研究》論文中，針對(duì)平面柵MOSFET的設(shè)計(jì)，研究了載流子擴(kuò)展層技術(shù)、JFET注入技術(shù)以及元胞結(jié)構(gòu)對(duì)電特性的影響，有效降低了導(dǎo)通電阻，提高芯片的電流密度。同樣來自中國(guó)科學(xué)院微電子研究所的陳宏博士等在《3300V SiC MOSFET柵氧可靠性研究》論文中，針對(duì)3300V SiC MOSFET芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展柵氧可靠性開展研究，進(jìn)行了高溫柵偏試驗(yàn)和源漏反偏下的柵氧電熱應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明在高壓SiC MOSFET中，源漏反偏時(shí)柵氧的電熱應(yīng)力較大，是設(shè)計(jì)及使用的要點(diǎn)。

模塊封裝技術(shù)是充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體器件性能的關(guān)鍵，不僅直接影響著功率器件本身的電氣、機(jī)械和熱性能，還影響其成本和可靠性，很大程度上決定了系統(tǒng)的小型化和多功能化。天津大學(xué)梅云輝教授等在《無壓低溫?zé)Y(jié)納米銀封裝電力電子器件的進(jìn)展與思考》論文中，針對(duì)典型硅基功率模塊封裝連接工藝及其可靠性，闡述了無壓低溫銀燒結(jié)技術(shù)在引線型、平面型和雙面冷卻功率模塊封裝方面的進(jìn)展，并提出了當(dāng)前有待解決的技術(shù)難題。

寬禁帶半導(dǎo)體器件具有更快的開關(guān)速度和更小的開關(guān)損耗，在高頻、高功率密度應(yīng)用中具有突出的優(yōu)勢(shì)，高頻工況下的高精度測(cè)試方法與器件建模是目前研究的熱點(diǎn)。來自北京信息科技大學(xué)的張雅靜博士等在《基于橋式電路的氮化鎵開關(guān)損耗測(cè)試》論文中，提出了一種適用于橋式氮化鎵電路的新穎測(cè)試方法，在不需要無感電阻的情況下可測(cè)量實(shí)際電路中氮化鎵器件損耗，搭建了基于氮化鎵的降壓變換器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。來自湖南大學(xué)的王俊教授等在 《SiC MOSFET與Si IGBT器件溫度敏感電參數(shù)對(duì)比研究》論文中，提出不同溫敏電參數(shù)在SiC MOSFET和Si IGBT應(yīng)用中應(yīng)區(qū)別對(duì)待，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)溫敏電參數(shù)理論建模分析的基礎(chǔ)上獲取結(jié)溫敏感依據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)多維度對(duì)比分析溫敏電參數(shù)在SiC MOSFET和Si IGBT中的適用性，最后就各溫敏電參數(shù)的提取電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析對(duì)比。來自中國(guó)科學(xué)院電工研究所的曹瀚博士等在《基于遺傳算法的SiC MOSFET導(dǎo)通電阻模型》論文中，提出了一種簡(jiǎn)潔、新穎的SiC MOSFET器件導(dǎo)通電阻模型，該模型采用遺傳算法對(duì)不同溫度下的導(dǎo)通電阻進(jìn)行準(zhǔn)確描述，可以準(zhǔn)確得到MOSFET導(dǎo)通電阻與結(jié)溫之間的關(guān)系。

門極驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等硬件細(xì)節(jié)技術(shù)可以顯著提升SiC MOSFET特性，對(duì)于器件的可靠應(yīng)用和系統(tǒng)效率的提高具有重要意義。來自中國(guó)科學(xué)院電工研究所的劉忠永等在《高性能軟件旋變-數(shù)字變換器在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用》論文中，研究了一種基于DSP的軟件旋變-數(shù)字變換器（RDC）技術(shù)，采用基于鎖相環(huán)的角度跟蹤觀測(cè)器算法完成位置信息的采集，與現(xiàn)在廣泛使用的硬件RDC技術(shù)進(jìn)行了多方面對(duì)比，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法具有高功率密度、低成本、高精度、最高轉(zhuǎn)速不受分辨率限制、可根據(jù)工況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。來自北京信息科技大學(xué)的張雅靜博士等在《基于氮化鎵功率器件的過流保護(hù)電路研究》論文中，提出了一種適用于高頻場(chǎng)合下氮化鎵（GaN）功率器件的過流保護(hù)電路。該保護(hù)電路在高達(dá)幾百kHz甚至MHz的開關(guān)頻率下，通過檢測(cè)GaN功率器件的漏-源電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)過流故障的識(shí)別，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明該電路具有響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高氮化鎵器件應(yīng)用的可靠性。來自湖南大學(xué)的王俊教授等在《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其應(yīng)用研究》論文中，綜述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在門極優(yōu)化控制策略，集成驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，熱電耦合損耗模型、芯片尺寸配比優(yōu)化和混合功率模塊研制等方面的最新研究成果與進(jìn)展，分析了該類器件的優(yōu)異特性，指出其對(duì)實(shí)現(xiàn)更高電流容量、更高開關(guān)頻率和較低成本的高性能應(yīng)用具有重要意義，是高性能變換器中非常有潛力的功率器件類型。來自河北大學(xué)的王培光教授等在《基于碳化硅功率器件的高頻感應(yīng)焊機(jī)設(shè)計(jì)》論文中，使用碳化硅功率器件對(duì)現(xiàn)有串聯(lián)型高頻感應(yīng)焊機(jī)主電路進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了適用于多器件并聯(lián)的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和功率單元，搭建了一臺(tái)100 kW/500 kHz的焊機(jī)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的高頻感應(yīng)焊機(jī)性能和效率均高于現(xiàn)有設(shè)備。來自中國(guó)科學(xué)院電工研究所的柴曉光等在《基于大電流通態(tài)壓降的IGBT功率模塊結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法的研究》論文中，提出一種基于大電流通態(tài)壓降的IGBT功率模塊結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法，基于通態(tài)壓降與結(jié)溫間關(guān)系的分析，設(shè)計(jì)了通態(tài)壓降結(jié)溫校準(zhǔn)電路，并基于小電流通態(tài)壓降對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證了所提出方法的準(zhǔn)確性。

綜上，本專輯論文從寬禁帶半導(dǎo)體器件芯片設(shè)計(jì)、封裝、建模、測(cè)試、驅(qū)動(dòng)等多個(gè)方向展開了研究，為在各類應(yīng)用中充分發(fā)揮其優(yōu)秀特性提供了新的思路。值得指出的是，寬禁帶半導(dǎo)體器件的前沿技術(shù)與應(yīng)用還有很多問題亟待解決，需要各行業(yè)專家們一起努力，以及工業(yè)界的大力支持。

最后，衷心感謝北京交通大學(xué)李虹教授與河北工業(yè)大學(xué)辛振教授在本刊征稿和審稿中的貢獻(xiàn)，感謝專家學(xué)者和業(yè)界同行們對(duì)于本專輯征文、投稿和評(píng)審工作的大力支持！