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第1章 GaN技术概述1

1.1 硅功率MOSFET （1976～2010）1

1.2 GaN基功率器件2

1.3 GaN材料特性2

1.3.1 禁带宽度（Eg）3

1.3.2 临界击穿电场（Ecrit）3

1.3.3 导通电阻（RDs（on））4

1.3.4 二维电子气（2DEG）4

1.4 GaN晶体管的基本结构6

1.4.1 凹槽栅增强型结构7

1.4.2 注入栅增强型结构7

1.4.3 p型GaN栅增强型结构8

1.4.4 共源共栅混合增强型结构8

1.4.5 GaN HEMT晶体管反向导通9

1.5 GaN晶体管的制备10

1.5.1 衬底材料的选择10

1.5.2 异质外延技术10

1.5.3 晶圆处理12

1.5.4 器件与外部的电气连接13

1.6 本章小结15

参考文献16

第2章 GaN晶体管电气特性18

2.1 引言18

2.2 关键器件参数18

2.2.1 击穿电压（BVDSS）和泄漏电流（IDSS）18

2.2.2 导通电阻（RDs（on）22

2.2.3 阈值电压（VGS（th）或Vth）25

2.3 电容和电荷27

2.4 反向传导28

2.5 热阻31

2.6 瞬态热阻33

2.7 本章小结34

参考文献34

第3章 驱动GaN晶体管36

3.1 引言36

3.2 栅极驱动电压38

3.3 自举和浮动电源40

3.4 dv/dt抗性41

3.5 di/dt抗扰性43

3.6 接地反弹45

3.7 共模电流46

3.8 栅极驱动器边沿速率47

3.9 驱动共源共栅GaN器件47

3.10 本章小结49

参考文献49

第4章 GaN晶体管电路布局51

4.1 引言51

4.2 减小寄生电感51

4.3 常规功率环路设计54

4.4 优化功率环路55

4.5 并联GaN晶体管56

4.5.1 单个开关中应用的并联GaN晶体管56

4.5.2 半桥应用的并联GaN晶体管60

4.6 本章小结63

参考文献63

第5章 GaN晶体管的建模和测量64

5.1 引言64

5.2 电气建模64

5.2.1 基础建模64

5.2.2 基础建模的局限66

5.2.3 电路建模的局限68

5.3 热建模69

5.3.1 提高热性能70

5.3.2 多芯片裸片建模72

5.3.3 复杂系统建模74

5.4 GaN晶体管性能测量75

5.4.1 电压测量要求76

5.4.2 电流测量要求78

5.5 本章小结79

参考文献79

第6章 硬开关拓扑81

6.1 引言81

6.2 硬开关损耗分析82

6.2.1 开关损耗83

6.2.2 输出电容（COSs）损耗87

6.2.3 栅极电荷（QG）损耗87

6.2.4 反向导通损耗（PsD）88

6.2.5 反向恢复（QRR）损耗90

6.2.6 硬开关总损耗90

6.2.7 硬开关的品质因数90

6.3 影响硬开关损耗的外部因素91

6.3.1 共源电感的影响92

6.3.2 高频功率环路电感对器件损耗的影响93

6.4 减少GaN晶体管的体二极管传导损耗96

6.5 频率对磁性的影响99

6.5.1 变压器99

6.5.2 电感100

6.6 降压变换器实例100

6.6.1 输出电容损耗102

6.6.2 栅极功耗（PG）103

6.6.3 体二极管导通损耗（P SD）105

6.6.4 开关损耗（Psw）108

6.6.5 总动态损耗（P Dynamic）109

6.6.6 导通损耗（P Conduction）109

6.6.7 器件总硬开关损耗（P HS）110

6.6.8 电感损耗（PL）110

6.6.9 降压变换器预估总损耗（P Total）111

6.6.10 考虑共源电感的降压变换器损耗分析111

6.6.11 降压变换器的实验结果113

6.7 本章小结114

参考文献114

第7章 谐振和软开关变换器116

7.1 引言116

7.2 谐振与软开关技术116

7.2.1 零电压和零电流开关116

7.2.2 谐振DC-DC变换器117

7.2.3 谐振网络组合117

7.2.4 谐振网络工作原理118

7.2.5 谐振开关元件120

7.2.6 软开关DC-DC变换器121

7.3 用于谐振和软开关应用的关键器件参数121

7.3.1 输出电荷（QOSS）121

7.3.2 通过制造商数据表确定输出电荷122

7.3.3 比较GaN晶体管和硅MOSFET的输出电荷123

7.3.4 栅极电荷（QG）123

7.3.5 谐振和软开关应用中栅极电荷的确定124

7.3.6 GaN晶体管和硅MOSFET的栅极电荷的比较125

7.3.7 GaN晶体管和硅MOSFET的性能指标的比较125

7.4 高频谐振总线转换器实例127

7.4.1 共振GaN和硅总线转换器设计129

7.4.2 GaN和硅器件的比较130

7.4.3 零电压开关转换131

7.4.4 效率和功耗比较132

7.5 本章小结134

参考文献135

第8章 射频性能136

8.1 引言136

8.2 射频晶体管和开关晶体管的区别137

8.3 射频基础知识139

8.4 射频晶体管指标140

8.4.1 确定射频FET的高频特性142

8.4.2 散热考虑的脉冲测试142

8.4.3 s参数分析144

8.5 使用小信号s参数的放大器设计147

8.5.1 条件稳定的双侧晶体管放大器设计147

8.6 放大器设计实例148

8.6.1 匹配和偏置器网络设计151

8.6.2 实验验证153

8.7 本章小结155

参考文献156

第9章 GaN晶体管的空间应用157

9.1 引言157

9.2 失效机理157

9.3 辐射标准和容差158

9.4 伽马辐射和容差158

9.5 单粒子效应（SEE）测试159

9.6 GaN晶体管与Rad-Hard硅MOSFET的性能比较160

9.7 本章小结162

参考文献162

第10章 应用实例163

10.1 引言163

10.2 非隔离式DC-DC变换器163

10.2.1 12 VIN-1.2VOUT降压变换器164

10.2.2 28VIN-3.3VOUT点负载模块168

10.2.3 应用于大电流场合并联GaN晶体管的48 VIN-12 VOUT降压变换器169

10.3 隔离式DC-DC变换器174

10.3.1 硬开关中间总线转换器175

10.3.2 400 V LLC谐振变换器184

10.4 D类音频185

10.4.1 总谐波失真185

10.4.2 阻尼系数185

10.4.3 D类音频放大器实例187

10.5 包络跟踪189

10.5.1 高频GaN晶体管190

10.5.2 包络跟踪实验结果191

10.5.3 栅极驱动器的局限性192

10.6 高共振无线能量传输194

10.6.1 无线能量传输的设计要素196

10.6.2 无线能量传输实例197

10.6.3 无线能量传输的设计因素小结203

10.7 LiDAR与脉冲激光应用204

10.8 功率因数校正206

10.9 电动机驱动和光伏逆变器208

10.10 本章小结208

参考文献209

第11章 硅功率MOSFET 替代器件212

11.1 什么控制使用率212

11.2 GaN晶体管实现的新功能212

11.3 GaN晶体管易于使用213

11.4 成本与时间213

11.4.1 原材料214

11.4.2 材料外延生长214

11.4.3 晶圆制造214

11.4.4 芯片测试和封装215

11.5 GaN晶体管的可靠性215

11.6 GaN晶体管的发展方向216

11.7 本章小结216

参考文献217

附录专业术语218