氮化鎵功率晶體管--器件、電路與應用(原書第3版)

第1章 GaN技術概述1
1.1矽功率MOSFET（1976～2010年）1
1.2GaN基功率器件1
1.3GaN和SiC材料與矽材料的比較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電晶體的基本結構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反嚮導通8
1.5GaN電晶體的製備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積體電路13
1.7本章小結16
參考文獻16

第2章 GaN電晶體的電氣特性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電晶體的驅動特性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用於柵極注入電晶體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電晶體的柵極驅動器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電晶體電路佈局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電晶體61
4.5.1單開關應用中的並聯GaN電晶體61
4.5.2半橋應用中的並聯GaN電晶體64
4.6本章小結66
參考文獻67

第5章 GaN電晶體的建模和測量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電路類比的局限性72
5.3GaN電晶體性能測量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晶片級封裝中的熱阻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散熱片和熱介面材料的選擇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系統級熱分析90
6.4.1具有分立GaN電晶體的功率級熱模型90
6.4.2具有單片GaN積體電路的功率級熱模型92
6.4.3多相系統的熱模型93
6.4.4溫度測量94
6.4.5實驗表徵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電晶體的硬開關過程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反嚮導通損耗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諧振網路組合142
8.2.4諧振網路工作原理143
8.2.5諧振開關單元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通過製造商資料表確定輸出電荷145
8.3.3GaN電晶體和矽 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電晶體和矽MOSFET柵極電荷比較148
8.3.7GaN電晶體和矽 MOSFET性能指標比較149
8.4高頻諧振匯流排變換器實例150
8.4.1諧振GaN和矽匯流排變換器設計152
8.4.2GaN和矽器件比較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射頻電晶體和開關電晶體的區別161
9.3射頻基礎知識162
9.4射頻電晶體指標163
9.4.1射頻電晶體高頻特性的確定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條件穩定的雙邊電晶體放大器設計169
9.6放大器設計實例170
9.6.1匹配和偏置器的網路設計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單片半橋積體電路負載點模組183
10.2.3 高頻12VIN單片半橋積體電路負載點模組185
10.2.428VIN-3.3VOUT負載點模組187
10.2.5大電流應用中帶並聯GaN電晶體的48VIN-12VOUT降壓變換器187
10.3基於變壓器的DC-DC變換器192
10.3.1第八磚變換器實例192
10.3.2高性能48V降壓LLC直流變壓器195
10.4本章小結199
參考文獻200

第11章 多電平變換器201
11.1引言201
11.2多電平變換器的優點201
11.2.148V應用的多電平變換器202
11.2.2高壓（400V）應用的多電平變換器204
11.3柵極驅動器實現204
11.4GaN電晶體自舉電源解決方案205
11.5PFC應用的多電平變換器209
11.6實驗實例210
11.6.1低壓情況210
11.6.2高壓情況211
11.7本章小結212
參考文獻213

第12章 D類音訊放大器216
12.1引言216
12.1.1總諧波失真217
12.1.2互調失真219
12.2GaN電晶體D類音訊放大器實例219
12.2.1閉環放大器220
12.2.2開環放大器220
12.3本章小結224
參考文獻224

第13章 雷射雷達226
13.1雷射雷達簡介226
13.2脈衝鐳射驅動器概述227
13.2.1脈衝要求227
13.2.2半導體光源228
13.2.3基本驅動電路229
13.2.4驅動開關特性230
13.3基本設計過程231
13.3.1諧振電容放電鐳射驅動器設計231
13.3.2雜散電感的定量效應233
13.4硬體驅動器設計233
13.5實驗結果234
13.5.1高速鐳射驅動器設計實例234
13.5.2超快鐳射驅動器235
13.5.3超大電流鐳射驅動器235
13.5.4低壓雷射雷達236
13.6其他注意事項237
13.6.1諧振電容237
13.6.2充電過程237
13.6.3電壓探測238
13.6.4電流傳感238
13.6.5雙邊控制240
13.7本章小結241
參考文獻241

第14章 包絡跟蹤技術242
14.1引言242
14.2高頻GaN電晶體243
14.3包絡跟蹤電源拓撲245
14.3.1多相變換器245
14.3.2多電平變換器246
14.4柵極驅動器設計246
14.5設計實例：跟蹤20MHz LTE包絡信號247
14.6本章小結250
參考文獻250

第15章 高諧振無線電源253
15.1引言253
15.2無線電能傳輸系統概述253
15.3無線電能傳輸系統放大器257
15.3.1E類放大器257
15.3.2零電壓開關D類放大器257
15.4用於無線功率放大器的電晶體258
15.4.1無線功率放大器拓撲的品質因數258
15.4.2無線充電應用中GaN電晶體的評估259
15.5基於GaN電晶體的無線功率放大器實驗驗證260
15.5.1差模E類放大器實例261
15.5.2差模ZVS D類放大器實例263
15.6本章小結267
參考文獻268

第16章 GaN電晶體的空間應用270
16.1引言270
16.2失效機理270
16.3輻射暴露標準和容差270
16.4伽馬輻射容差271
16.5單粒子效應測試272
16.6中子輻射（位移損傷）274
16.7GaN電晶體與Rad-Hard矽MOSFET的性能比較275
16.8本章小結276
參考文獻277

第17章 替代矽功率MOSFET279
17.1什麼控制使用率279
17.2GaN電晶體實現的新功能279
17.3GaN電晶體易於使用281
17.4成本與時間282
17.4.1原材料282
17.4.2材料外延生長282
17.4.3晶圓製造283
17.4.4晶片測試和封裝283
17.5GaN電晶體的可靠性283
17.6GaN電晶體的未來發展方向284
17.7本章小結284
參考文獻285
附錄 術語表286