宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室开放基金课题申报指南（2019年）

时间：2021/02/19    点击量：315

一、 制定原则

为持续推动宽禁带半导体电力电子器件领域技术创新，服务于节能减排技术革命，从基础研究、共性关键技术研究到重大工程技术应用全链条布局，引领宽禁带半导体电力电子技术进步，落实国家重点实验室“开放、流动、联合、竞争”的运行要求，充分发挥国家重点实验室行业引领和推动作用，支撑实验室研究工作，提升自主创新能力，促进学科交叉和高水平学术交流，实验室发布2019年开放基金课题。

本基金指南的制定主要考虑以下原则：

（一）根据我国宽禁带半导体电力电子技术的发展战略，着眼于国民经济建设的当前和长远的需要，跟踪国际学科发展前沿；

（二）鼓励具有开拓性、超前性、创造性和较高层次的理论和技术的研究及具有重大应用前景的项目；

（三）利于促进多学科的交叉渗透和多部门的联合攻关，有利于建立和发展国际合作的新格局，有利于人才的培养和学科的发展；

（四）鼓励和支持从事宽禁带半导体电力电子技术领域的青年科技工作者，尤其是青年教师、博士后及海外留学人员申请本实验室开放基金；

二、申请注意事项

1.申请者从www.cetc55.com网站下载《附件1.宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室-2019年开放基金项目申报指南》、《附件2.宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室-开放基金课题申请书模板》等表格。根据本指南要求填写申请书，并经所在单位签署意见、加盖公章。

2.申请书包括纸质版（一式两份）、电子版。纸质版邮寄至：江苏省南京市江宁区正方中路166号，邮编：211111，应贤炜收，联系电话：15951933361，同时发送电子版至：15951933361@163.com。纸质版与电子版应完全一致，二者缺一不可，否则视为无效申请。

3.申请受理的截止日期：2019年11月10日（邮寄申请书以投递日邮戳为准）。

4.原则上要求申请者与本实验室固定人员进行合作研究。

5.申请人不具有高级职称，还需填写推荐意见（格式见附件）。在读研究生、已离退休的科研人员和申请单位的兼职科研人员不得作为申请项目的负责人提出申请，但可作为项目组成员参加研究

6.重点实验室基金项目研究周期一般为1-2年

7.项目获得资助后，鼓励项目负责人来实验室进行访问研究，在项目执行期内至少参加一次实验室组织的开放课题学术会议，汇报课题成果，交流研究心得。

三、资助研究项目

(一)GaN基电机驱动器关键技术研究

1、研究背景

电机驱动系统广泛应用于自动化设备、航空航天、电动汽车、家用电器等领域。随着现代科学技术的进步和经济水平的提高，电机驱动系统正向机电一体化、轻型化、高性能和高效等方向发展。受蓄电池技术的限制，电动汽车中希望提高对电能的利用效率，以提升续航能力，同时尽可能在有限的空间内为蓄电池预留更多安装空间，这些都对电机驱动系统的运行效率、功率密度和高温环境中工作可靠性提出了更高的要求。航空、航天对电机驱动系统的功率密度要求更加严格，并且对系统的耐高温、抗辐射工作能力也有较高要求。工业、自动化领域中，随着机械加工智能化、精细化的发展，对电机驱动器小型化、高精度提出了更高的要求。家用电器领域则希望电机驱动系统具有更低的噪声、更高的功率密度和效率，对电机驱动系统的能耗、功率密度和动态性能提出了更高的要求。

作为电机驱动系统中的重要组成部分，当前的功率变换系统基本采用基于Si材料的功率器件，其导通电阻大、开关速度慢、开关损耗大、开关频率低，很难兼顾高功率密度和高效率等需求。随着半导体技术的不断发展，第三代宽禁带半导体器件应运而生（SiC器件、GaN器件），其中GaN器件相较于Si器件具有更低的导通电阻、更快的开关速度、更高的开关频率，更低的开关损耗，在中低压场合具有非常广阔的应用前景。若将 GaN 功率器件应用于电机驱动领域，将能够显著降低系统体积、降低损耗、提升系统的功率密度，并降低电机驱动系统工作时的转矩脉动和音频噪声。因此，基于 GaN 功率器件的高频电机驱动系统研究，对电机控制性能的提升具有重要意义。

2、研究目标

针对高效率、高功率密度、低转矩脉动的研制要求，开展GaN基电机驱动器的关键技术研究。探索适合增强型GaN器件（eGaN HEMT）的驱动要求以及驱动挑战，研究针对eGaN HEMT的高速可靠驱动电路。从整机结构和无源元件选型设计和放置角度出发，提高样机的功率密度。优化传统逆变器布局结构，尽可能减小回路寄生电感，提升逆变器整体性能。优化设计高频控制算法，提高动态响应速度和控制精度，降低转矩脉动，最终研制出高效率、高功率密度、高控制精度、低转矩脉动的高频GaN基电机驱动器样机

3、研究内容

1）eGaN HEMT高速可靠驱动电路设计

与Si器件相比，eGaN HEMT具有开关速度快，导通电阻小的优势。一般来说，提高功率器件的开关速度有利于减小开关损耗，但是随之而来的高du/dt和di/dt使得eGaN HEMT的开关特性对寄生参数更为敏感，其开关过程中的电压和电流尖峰也更为严重，再加上eGaN HEMT本身的栅源电压范围较窄，栅源阈值电压较低，关断过程误导通问题也因此凸显，所以需要合理优化驱动电路布局设计，尽可能减小驱动电路的寄生参数，提高驱动电路可靠性。其次，高速开关在桥臂电路中带来的串扰问题也容易引起桥臂直通现象，因此合理设计辅助电路抑制桥臂串扰问题也尤为重要。

2）高频控制策略研究

与Si器件相比，eGaN HEMT的开关频率较高，可达MHz级别，同时其开关损耗较小，因此在同开关损耗的情况下，eGaN HEMT可工作在更高的开关频率下。对于电机驱动器来说，提高功率器件开关频率能够提高电机驱动器的功率密度、提高控制精度和动态响应性能，同时降低转矩脉动，减小电机工作噪声。但是，高频化也对电机驱动控制策略提出了

更高的要求，现有控制器和控制策略还没有经过高频化的控制验证，因此需要优化现有控制策略使其满足高频电机驱动控制要求。

3）高功率密度设计

随着电力电子行业的不断发展，对电力电子装置的要求不断提高，功率密度作为衡量电机驱动器优劣的重要指标，也受到了更多的重视，尤其是电动汽车和航空航天领域，由于空间和重量的限制，对功率密度提出了更高的要求。相较于Si器件而言，GaN器件的高开关频率能够减小电机驱动器中无源元件的体积，同时其耐高温工作能力也可减小散热系统的体积，因此使用GaN器件制作电机驱动器能够在一定程度上增大传统电机驱动器的功率密度，再通过整体布局和结构的优化设计，可将GaN基电机驱动器的功率密度提高到较高的水平。

4、主要技术指标

GaN基电机驱动器样机：

1）交流输入范围：85VAC~265VAC

2）额定功率：1kW

3）功率密度：≥2.5kW/L

4）无位置控制方式启动时间：<3S

5）全功率范围工作环境温度：30℃~55℃

6）效率：>96%（额定电压，满载）

7）待机功耗：<0.8W

8）开关频率：>50kHz

9）全范围转速下电流THD：<5%

5、进度要求

18个月。

6、经费要求

建议不超过30万。

7、成果形式

1）1kW GaN基电机驱动器样机2套；

2）发表高水平论文2篇；

3）申请发明专利1项；

4）技术研究报告3份；

5）相关领域学术论著一部。

(二)具有过流保护功能的全GaN单片集成功率变换器关键技术

研究

1、研究背景

面对各种新兴运算应用对高频、高效、高功率且具有更多功能的功率变换器的要求与挑战，GaN功率器件能够有效地提升DC-DC变换器的工作频率与效率，同时实现功率变换器的集成多功能化。常规的GaN分立型功率器件需要复杂的驱动芯片与外围电路来实现高频功率变换与过流保护等功能，然而其芯片与电路互连中带来的寄生参数严重制约工作频率与效率。通过在GaN衬底上单片集成功率器件与功能电路，能够显著降低功率变换器内部寄生参数，实现具有集成双边驱动和过流保护电路的全GaN单片集成功率变换器，为48V电压等级降压变换应用提供具有过流保护的MHz级高频、高效、高功率解决方案。

2、研究目标

针对高频、高效、高功率的GaN功率变换器研制要求，开展全GaN集成单片式功率变换器的结构设计和工艺技术研究，探索GaN多功能集成设计方法。建立基于GaN功率晶体管工艺的集成电路设计方法，阐明器件结构参数与电路功能间的作用关系，提出并实现具有新型拓扑结构的GaN双边驱动与过流保护电路。开展硅基GaN衬底集成技术研究，建立低寄生参数互连关键工艺技术，提出MHz级高效单片功率变换器设计与集成方法。结合单片集成关键工艺技术，研制出具有过流保护功能的高频、高效、高功率全GaN功率变换器样品。

3、主要研究内容

1）GaN驱动电路与过流保护电路设计研究

针对GaN功率变换器对集成驱动与保护功能的要求，研究GaN器件结构参数与NMOS逻辑电路功能的关系，研究GaN双边驱动与过流保护电路设计技术，包括GaN双边驱动电路的延时降低和输出能力提升、过流保护电路的防误触发和保护速度提升等技术。

2）MHz级全GaN功率变换器设计与集成研究

针对MHz级高效单片功率变换器的需求，研究硅基GaN单片集成关键工艺技术，包括GaN高压功率晶体管、低压控制晶体管与二极管的低寄生参数集成技术，研究全GaN功率变换器设计方法与集成技术，研制具有过流保护功能的MHz级全GaN单片集成功率变换器。

4、技术指标

全GaN单片集成功率变换器样品：

1）输入电压48V，输出电压12V；

2）输出功率≥5W；

3）工作频率≥1MHz；

4）最大工作效率≥80%；

5）过流保护动作时间＜2μs。

5、进度要求

24个月。

6、经费要求

建议不超过30万元。

7、成果形式

1）全GaN单片集成功率变换器样品；

2）发表高水平论文5篇，其中SCI/EI论文3篇；

3）申请发明专利2项；

4）技术研究报告2份。

(三)耐高温SiC集成电路关键技术研究

1、研究背景

在航空航天，石油钻探，火力发电，核能，冶金，化工等高温恶劣的工况下，基于传统硅材料的半导体器件已经无法正常工作。为了解决此问题，需要使用SiC材料制作耐高温的集成电路作为信号处理芯片，提高耐高温系统的集成度，降低系统的复杂程度。

现在使用SiC材料制作的集成电路主要使用BJT和JFET器件，由于器件自身的限制，其性能和功能复杂程度都受到很大的限制。若能制作CMOS集成电路，首先相比于使用BJT和JFET器件，其静态功耗可以大大降低，另外还可以将硅基电路中的研究设计方法推广至SiC基CMOS电路中，实现更复杂更高级的电路功能。

2、研究目标

本项目拟开展基于碳化硅材料的 CMOS 高温集成电路器件和关键工艺的研究。主要包括了对高温下SiC MOSFET 的退化机制进行研究阐明，对可能的退化机制进行理论预测和研究。研究碳化硅集成电路的高温金属工艺，开展低退火温度形成高质量欧姆接触的机理和工艺研究。实现能够正常工作在500℃以上的集成电路芯片。为SiC材料更加高效的应用在高温作业环境中提供理论和技术基础。

3、研究内容

1）SiC场效应管在高温环境下的退化机理研究

深入研究高温下 N 型沟道和 P 型沟道 MOSFET 的退化机制，针对退化机制进行器件结构和制造工艺上的优化改进，提出针对高温应用的 SiC CMOS 器件结构和集成电路的制造工艺方案。

对半导体器件而言，当器件的产生功率等于相应条件下的耗散功率时，器件达到热平衡状态。器件只有处在稳定的平衡点时，才能可靠的工作，一旦跳到非稳定平衡点，器件则极有可能发生热失效。 当环境温度升高至500℃以上时，无论是N型沟道还是P型沟道的MOSFET 都会因为环境高温而无法及时耗散掉所产生的热量，无法达到热平衡的工作状态。热量的积累会引起载流子迁移率下降，欧姆接触的比接触电阻升高，从而导致器件的导通电流严重退化。另外，当环境温度升高后， CMOS 器件的阈值电压也会随之变化，需要通过理论分析和仿真来确定工作电压，以保证 SiC CMOS 器件有足够大的工作电流。此外，通过仿真分析得到器件在高温环境下的热失效机理，对器件结构进行针对性的优化，使器件能够更好的在高温环境中工作。

2）耐高温金半接触工艺技术研究

通常 SiC 材料上的欧姆接触通常采用 Al、Ni、Ti 等金属，但当工作温度升高至 500℃以上时，这些金属会发生相变，降低欧姆接触的比接触电阻，甚至会蜕变为肖特基接触，使场效应晶体管无法正常工作。因此需要对高温下 P 型和 N 型 SiC 材料上欧姆接触的形成机理和工作机理进行研究，以得到能够长时间在高温下保持低的比接触电阻的欧姆接触。国内外对 SiC 材料上的欧姆接触研究较多，但针对高温应用的报道则比较有限。如何选择合适的金属及工艺形成所需要欧姆接触，并且分析欧姆接触形成过程中的机理则是本项目的重点之一。

深入研究高温下碳化硅材料上的金属工艺，选用适用于高温环境的金属结构，通过实验对低温退火条件下欧姆接触形成机理进行研究， 并提出相应的金属工艺， 保证 SiC 材料上的欧姆接触和金属互联等金属工艺能在高温条件下具有高可靠性和高性能。

3）耐高温碳化硅差动放大器研究

差动放大器是最重要的电路发明之一，由于差动放大具有很多有用的特性，所以它已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择。差动工件与单端工作相比，一个重要的优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力。差动信号的另一个有用的特性是增大了可得到的最大电压摆幅。差动电路的优势还包括偏置电路更简单和更高的线性度。研究差动输入和共模输入发生变化时电路的大信号特性是有益的。

4、技术指标

1）制备出能够稳定工作在 500℃以上，比接触电阻<10-5Ω.cm2 量级的耐高温欧姆接触；

2）实现能够正常工作在 500℃以上的SiC差动放大器电路，工作电源电压范围在8V~30V，全温区最大差分增益≥6db，最大共模增益≥6db；500℃时，差分增益≥2db，共模增益≥2db。

5、进度要求

18个月。

6、经费要求

建议不超过30万.

7、成果形式

1）SiC CMOS集成电路样品。

2）发表高水平论文2篇。

3）申请发明专利2项。

4）技术研究报告3份。