謝少軍，吳新科

（南京航空航天大學，浙江大學）

寬禁帶功率電子器件及其應(yīng)用專輯特邀主編述評

謝少軍，吳新科

（南京航空航天大學，浙江大學）

相較于傳統(tǒng)的硅器件，基于寬禁帶半導體材料的功率電子器件在很多方面都體現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，符合功率變換器高效率、高工作溫度及高功率密度的發(fā)展需求。近幾年來，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件的制造技術(shù)發(fā)展迅速，多家公司推出了系列商業(yè)化產(chǎn)品，寬禁帶功率電子器件及其應(yīng)用已成為當前電力電子學科研究熱點之一。

為集中展現(xiàn)寬禁帶半導體器件及其應(yīng)用方面的最新研究成果和進展，《電源學報》特別推出“寬禁帶功率電子器件及其應(yīng)用”專輯。本專輯征文得到了國內(nèi)各高校和企業(yè)同行的積極響應(yīng)和大力支持，共收到稿件22篇，經(jīng)過認真細致的評審，錄用18篇。其中關(guān)于器件發(fā)展及新型器件相關(guān)論文2篇，器件建模及器件應(yīng)用特性分析相關(guān)論文4篇，器件在特定電路中的應(yīng)用相關(guān)論文7篇，應(yīng)用寬禁帶器件的高密度功率變換器集成封裝相關(guān)論文2篇，應(yīng)用綜述相關(guān)論文3篇。

寬禁帶半導體材料及器件的發(fā)展是寬禁帶功率電子器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。中山大學劉揚教授等的“第三代半導體GaN功率開關(guān)器件的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)”歸納了GaN器件的技術(shù)路線、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀，分析了GaN器件的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，介紹了該器件的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，指出凹槽絕緣柵結(jié)構(gòu)的常關(guān)型GaN MOSFET器件是基于CMOS工藝的Si襯底上GaN功率開關(guān)器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。劉揚教授課題組的“選擇區(qū)域外延槽柵結(jié)構(gòu)GaN常關(guān)型MOSFET的研究”提出選擇區(qū)域外延方法以避免刻蝕對柵極溝道的損傷，通過改進外延工藝實現(xiàn)二次生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量達到標準異質(zhì)結(jié)構(gòu)水平，使器件具備優(yōu)越的閾值電壓穩(wěn)定性，證明了選擇區(qū)域外延方法制備槽柵結(jié)構(gòu)GaN常關(guān)型MOSFET的可行性與優(yōu)越性。

寬禁帶功率電子器件的建模及其特性分析是發(fā)展新的應(yīng)用概念、提出有效的器件應(yīng)用技術(shù)的必要手段，對器件的大范圍應(yīng)用具有十分重要的推動作用。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院趙波及北京交通學李虹、鄭瓊林教授等的“適用于電動汽車的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究”將電壓控制電流源作為SiC MOSFET模型的內(nèi)核，以描述SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性、采用恒定電容的柵漏電容子電路模型以模擬其動態(tài)特性、在簡化參數(shù)提取方法的同時，能夠滿足模型準確性的要求。安徽工業(yè)大學李勇杰等的 “改進的碳化硅MOSFETs Spice電路模型”提出了一種簡化的含溫控電源的SiC MOSFETs的Spice電路模型，以在寬溫度范圍內(nèi)更準確地反映SiC MOSFETs的轉(zhuǎn)移特性。中國科學院電工所寧圃奇、溫旭輝研究員等撰寫的論文 “1 200 V碳化硅MOSFET與硅IGBT器件特性對比性研究”在搭建輸出特性測試電路、漏電流測試電路、雙脈沖測試電路和降壓變換器電路的基礎(chǔ)上，對1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的輸出特性、漏電流、開關(guān)特性和器件損耗進行了對比研究，指出了SiC MOSFET應(yīng)用時的主要特點。南京航空航天大學謝少軍教授等的“SiC MOSFET的特性及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析”基于對SiC MOSFET與Si MOSFET/IGBT的靜態(tài)、動態(tài)特性的對比，總結(jié)了SiC MOSFET在實際應(yīng)用中需要關(guān)注的重點特性，從SiC MOSFET建模、驅(qū)動電路設(shè)計、EMI抑制以及拓撲與控制方式的選擇等方面對國內(nèi)外研究成果進行了歸納與評述，指出了SiC MOSFET在應(yīng)用中所要解決的關(guān)鍵問題。

寬禁帶功率電子器件在功率變換的眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和價值，能顯著提升電力電子裝置的性能。清源科技（廈門）股份有限公司王長庚等的“基于碳化硅功率器件的寬輸入電壓雙管正激式直流電源研究”采用碳化硅器件和雙管正激電路研制了用于太陽能并網(wǎng)逆變器的寬輸入1 kW供電電源?？其J香港有限公司劉學超博士等的“基于新型1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET的三相雙向逆變器研究”介紹了開關(guān)頻率60 kHz、輸入電壓600～800 V、功率20 kVA的二電平三相逆變器研究結(jié)果，試驗樣機最高效率接近99%。謝少軍教授等的“SiC MOSFET在航空靜止變流器中的應(yīng)用研究”介紹了SiC MOSFET在航空靜止變流器中應(yīng)用的特點和驅(qū)動技術(shù)。浙江大學吳新科、盛況教授等的 “基于碳化硅MOSFET的99.2%高效率功率因數(shù)校正器”設(shè)計了1.1 kW的全碳化硅半橋功率因數(shù)校正變換器，采用電感電流三角波模式控制方式使器件工作在零電壓開通狀態(tài)，變換器的峰值效率達到了99.2%。哈爾濱工業(yè)大學王懿杰、徐殿國教授等的 “基于GaN FETs的高頻半橋諧振變換器分析與設(shè)計”分析了高頻條件下寄生電感參數(shù)對系統(tǒng)驅(qū)動電壓及漏源極電壓的影響和高頻條件下系統(tǒng)電壓電流的測量問題。電子科技大學陳萬軍、張波教授等的“基于GaN Buck電路死區(qū)功耗分析與優(yōu)化”指出采用GaN HEMT替換傳統(tǒng)Si功率器件后，系統(tǒng)死區(qū)損耗成為阻礙系統(tǒng)效率提升的一個重要因素，分析了GaN HEMT器件在Buck型開關(guān)電源系統(tǒng)中的工作機制及死區(qū)時間對功耗的影響，優(yōu)化設(shè)計的輸入電壓12 V、輸出電壓1.2 V、開關(guān)頻率700 kHz的GaN變換器在負載電流20 A的情況下電能變換效率可達到92%。西安交通大學楊旭教授等的 “基于GaN器件LLC諧振變換器的平面變壓器優(yōu)化設(shè)計”設(shè)計了同步整流LLC諧振變換器，通過對平面變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小了變換器體積，研制的1 MHz/120 W樣機的功率密度達到了262 W/in3，最高效率達到了94.9%。

寬禁帶器件的高開關(guān)頻率工作提高了變換器的功率密度，線路雜散參數(shù)成為影響變換器性能的一個關(guān)鍵因素，而集成封裝是解決雜散參數(shù)問題的一個重要手段。華中科技大學陳材、康勇教授等的“基于封裝集成技術(shù)的高功率密度碳化硅單相逆變器”提出了一種采用直流側(cè)并聯(lián)Boost APF抑制二次紋波的高功率密度單相集成逆變器，采用新型高功率密度低感全SiC半橋混合封裝結(jié)構(gòu)，研制的全數(shù)字控制2 kW單相逆變器的功率密度達到了58.8 W/in3，最大效率達到98.3%。吳新科、盛況教授等的“共源極電感對SiC MOSFET開關(guān)損耗影響的研究”指出共源極電感嚴重影響高速開關(guān)的SiC MOSFE的開關(guān)特性和開關(guān)損耗，通過實驗研究了共源極電感對SiC MOSFET的開通損耗、關(guān)斷損耗的影響。

寬禁帶功率電子器件的優(yōu)良特性已展示出了其在高性能功率變換領(lǐng)域廣泛的發(fā)展前景。南京航空航天大學秦海鴻副教授等的 “寬禁帶器件在電動汽車中的研究和應(yīng)用”對寬禁帶器件在電動汽車中的研究現(xiàn)狀進行了分析和展望，指出了其在電動汽車應(yīng)用中面臨的主要問題。秦海鴻教授另一篇論文“耐高溫變換器研究進展及綜述”分析了SiC基耐高溫變換器各部件的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了SiC基耐高溫變換器應(yīng)用實例。南京工程學院倪喜軍博士的“高壓SiC器件在FREEDM系統(tǒng)中的應(yīng)用”簡述了與碳化硅主要生產(chǎn)商CREE緊密合作的美國北卡州立大學FREEDM研究中心的寬禁帶功率電子器件應(yīng)用研究情況，重點介紹了高壓SiC MOSFET、IGBT、ETO、JFET在固態(tài)變壓器 SST（solid state transformer）和故障隔離器FID（fault isolation device）中的應(yīng)用研究。

綜上，本專輯論文基本上涵蓋了寬禁帶半導體器件及其應(yīng)用研究的各個熱點問題，展示了國內(nèi)學者在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，多數(shù)論文都有實驗驗證，具有較高的技術(shù)水準，以及研究和應(yīng)用參考價值。同時，也應(yīng)該注意到，寬禁帶功率電子器件及其應(yīng)用目前仍然處于發(fā)展初期，半導體材料、器件結(jié)構(gòu)與工藝研究等方興未艾，器件自身特性及其高開關(guān)頻率工作使得寬禁帶器件的應(yīng)用并不是對傳統(tǒng)硅基器件的簡單替代，而是帶來了應(yīng)用電路、驅(qū)動、封裝、散熱和電磁兼容等方面的諸多問題，這些問題都還有待更全面和深入的研究。希望本專輯的出版能夠?qū)捊麕Чβ孰娮悠骷捌鋺?yīng)用的研究起到一定的推動和啟發(fā)作用。

最后，衷心感謝專家學者和同行們對本專輯的征文、投稿和評審工作的大力支持！

特邀主編介紹

謝少軍（1968-），男，湖北天門人，博士，南京航空航天大學教授，博士生導師。任中國電源學會常務(wù)理事、可再生能源電能變換技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、信息系統(tǒng)供電技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員，中國電工技術(shù)學會電力電子與電力傳動學會理事。曾獲江蘇省先進科技工作者、江蘇省青藍工程優(yōu)秀青年骨干教師榮譽稱號和江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”首批中青年科學技術(shù)帶頭人。

主要從事功率變換技術(shù)和航空電源系統(tǒng)研究，發(fā)表SCI檢索論文20多篇、EI檢索論文200余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利25項。作為第一完成人獲得省部級科技進步二等獎3項、三等獎7項，近5年來主持國家自然科學基金2項、江蘇省科技支撐計劃1項。

吳新科（1978-），男，江蘇無錫人，博士，浙江大學教授。中國電源學會照明專委會委員。曾獲全國優(yōu)秀博士學位論文提名獎，獲國家自然科學優(yōu)秀青年基金，臺達環(huán)境與教育基金會 “中達青年學者獎”；入選浙江省151人才工程，為杭州市錢江特聘專家。

研究方向為高頻率高密度軟開關(guān)功率變換器、LED驅(qū)動電源與系統(tǒng)、SiC功率模塊的集成與應(yīng)用。已發(fā)表SCI/EI檢索論文110余篇。獲浙江省科學技術(shù)二等獎1項和中國電源學會科學技術(shù)一等獎2項。