氮化鎵功率晶體管：器件、電路與應用 (原書第3版)

譯者序
原書前言
致謝
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材料與硅材料的比較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晶體管的基本結構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晶體管的製備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集成電路13
1.7本章小結16
參考文獻16
第2章GaN晶體管的電氣特性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晶體管的驅動特性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用於柵極注入晶體管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晶體管的柵極驅動器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晶體管電路佈局56
4.1引言56
4.2減小寄生電感56
4.3常規功率迴路設計58
4.3.1橫向功率迴路設計58
4.3.2垂直功率迴路設計59
4.4功率迴路的優化59
4.4.1集成對於寄生效應的影響60
4.5並聯GaN晶體管61
4.5.1單開關應用中的並聯GaN晶體管61
4.5.2半橋應用中的並聯GaN晶體管64
4.6本章小結66
參考文獻67
第5章GaN晶體管的建模和測量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電路模擬的局限性72
5.3GaN晶體管性能測量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芯片級封裝中的熱阻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散熱片和熱界面材料的選擇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晶體管的功率級熱模型90
6.4.2具有單片GaN集成電路的功率級熱模型92
6.4.3多相繫統的熱模型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晶體管的硬開關過程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功率迴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諧振網絡組合142
8.2.4諧振網絡工作原理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通過製造商數據表確定輸出電荷145
8.3.3GaN晶體管和矽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晶體管和矽MOSFET柵極電荷比較148
8.3.7GaN晶體管和矽MOSFET性能指標比較149
8.4高頻諧振總線變換器實例150
8.4.1諧振GaN和矽總線變換器設計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射頻晶體管和開關晶體管的區別161
9.3射頻基礎知識162
9.4射頻晶體管指標163
9.4.1射頻晶體管高頻特性的確定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條件穩定的雙邊晶體管放大器設計169
9.6放大器設計實例170
9.6.1匹配和偏置器的網絡設計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單片半橋集成電路負載點模塊183
10.2.3更高頻12VIN單片半橋集成電路負載點模塊185
10.2.428VIN-3.3VOUT負載點模塊187
10.2.5大電流應用中帶並聯GaN晶體管的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晶體管自舉電源解決方案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類音頻放大器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晶體管D類音頻放大器實例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章激光雷達226
13.1激光雷達簡介226
13.2脈衝激光驅動器概述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諧振電容放電激光驅動器設計231
13.3.2雜散電感的定量效應233
13.4硬件驅動器設計233
13.5實驗結果234
13.5.1高速激光驅動器設計實例234
13.5.2超快激光驅動器235
13.5.3超大電流激光驅動器235
13.5.4低壓激光雷達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章包絡跟踪技術242
14.1引言242
14.2高頻GaN晶體管243
14.3包絡跟踪電源拓撲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：跟踪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晶體管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晶體管的評估259
15.5基於GaN晶體管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晶體管的空間應用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晶體管與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晶體管實現的新功能279
17.3GaN晶體管易於使用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芯片測試和封裝283
17.5GaN晶體管的可靠性283
17.6GaN晶體管的未來發展方向284
17.7本章小結284
參考文獻285
附錄術語表286