寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室開放基金課題申報指南（2019年）

時間：2021/02/19    點擊量：327

一、 制定原則

為持續(xù)推動寬禁帶半導體電力電子器件領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，服務于節(jié)能減排技術(shù)革命，從基礎研究、共性關(guān)鍵技術(shù)研究到重大工程技術(shù)應用全鏈條布局，引領(lǐng)寬禁帶半導體電力電子技術(shù)進步，落實國家重點實驗室“開放、流動、聯(lián)合、競爭”的運行要求，充分發(fā)揮國家重點實驗室行業(yè)引領(lǐng)和推動作用，支撐實驗室研究工作，提升自主創(chuàng)新能力，促進學科交叉和高水平學術(shù)交流，實驗室發(fā)布2019年開放基金課題。

本基金指南的制定主要考慮以下原則：

（一）根據(jù)我國寬禁帶半導體電力電子技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略，著眼于國民經(jīng)濟建設的當前和長遠的需要，跟蹤國際學科發(fā)展前沿；

（二）鼓勵具有開拓性、超前性、創(chuàng)造性和較高層次的理論和技術(shù)的研究及具有重大應用前景的項目；

（三）利于促進多學科的交叉滲透和多部門的聯(lián)合攻關(guān)，有利于建立和發(fā)展國際合作的新格局，有利于人才的培養(yǎng)和學科的發(fā)展；

（四）鼓勵和支持從事寬禁帶半導體電力電子技術(shù)領(lǐng)域的青年科技工作者，尤其是青年教師、博士后及海外留學人員申請本實驗室開放基金；

二、申請注意事項

1.申請者從www.cetc55.com網(wǎng)站下載《附件1.寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室-2019年開放基金項目申報指南》、《附件2.寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室-開放基金課題申請書模板》等表格。根據(jù)本指南要求填寫申請書，并經(jīng)所在單位簽署意見、加蓋公章。

2.申請書包括紙質(zhì)版（一式兩份）、電子版。紙質(zhì)版郵寄至：江蘇省南京市江寧區(qū)正方中路166號，郵編：211111，應賢煒收，聯(lián)系電話：15951933361，同時發(fā)送電子版至：15951933361@163.com。紙質(zhì)版與電子版應完全一致，二者缺一不可，否則視為無效申請。

3.申請受理的截止日期：2019年11月10日（郵寄申請書以投遞日郵戳為準）。

4.原則上要求申請者與本實驗室固定人員進行合作研究。

5.申請人不具有高級職稱，還需填寫推薦意見（格式見附件）。在讀研究生、已離退休的科研人員和申請單位的兼職科研人員不得作為申請項目的負責人提出申請，但可作為項目組成員參加研究

6.重點實驗室基金項目研究周期一般為1-2年

7.項目獲得資助后，鼓勵項目負責人來實驗室進行訪問研究，在項目執(zhí)行期內(nèi)至少參加一次實驗室組織的開放課題學術(shù)會議，匯報課題成果，交流研究心得。

三、資助研究項目

(一)GaN基電機驅(qū)動器關(guān)鍵技術(shù)研究

1、研究背景

電機驅(qū)動系統(tǒng)廣泛應用于自動化設備、航空航天、電動汽車、家用電器等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步和經(jīng)濟水平的提高，電機驅(qū)動系統(tǒng)正向機電一體化、輕型化、高性能和高效等方向發(fā)展。受蓄電池技術(shù)的限制，電動汽車中希望提高對電能的利用效率，以提升續(xù)航能力，同時盡可能在有限的空間內(nèi)為蓄電池預留更多安裝空間，這些都對電機驅(qū)動系統(tǒng)的運行效率、功率密度和高溫環(huán)境中工作可靠性提出了更高的要求。航空、航天對電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度要求更加嚴格，并且對系統(tǒng)的耐高溫、抗輻射工作能力也有較高要求。工業(yè)、自動化領(lǐng)域中，隨著機械加工智能化、精細化的發(fā)展，對電機驅(qū)動器小型化、高精度提出了更高的要求。家用電器領(lǐng)域則希望電機驅(qū)動系統(tǒng)具有更低的噪聲、更高的功率密度和效率，對電機驅(qū)動系統(tǒng)的能耗、功率密度和動態(tài)性能提出了更高的要求。

作為電機驅(qū)動系統(tǒng)中的重要組成部分，當前的功率變換系統(tǒng)基本采用基于Si材料的功率器件，其導通電阻大、開關(guān)速度慢、開關(guān)損耗大、開關(guān)頻率低，很難兼顧高功率密度和高效率等需求。隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，第三代寬禁帶半導體器件應運而生（SiC器件、GaN器件），其中GaN器件相較于Si器件具有更低的導通電阻、更快的開關(guān)速度、更高的開關(guān)頻率，更低的開關(guān)損耗，在中低壓場合具有非常廣闊的應用前景。若將 GaN 功率器件應用于電機驅(qū)動領(lǐng)域，將能夠顯著降低系統(tǒng)體積、降低損耗、提升系統(tǒng)的功率密度，并降低電機驅(qū)動系統(tǒng)工作時的轉(zhuǎn)矩脈動和音頻噪聲。因此，基于 GaN 功率器件的高頻電機驅(qū)動系統(tǒng)研究，對電機控制性能的提升具有重要意義。

2、研究目標

針對高效率、高功率密度、低轉(zhuǎn)矩脈動的研制要求，開展GaN基電機驅(qū)動器的關(guān)鍵技術(shù)研究。探索適合增強型GaN器件（eGaN HEMT）的驅(qū)動要求以及驅(qū)動挑戰(zhàn)，研究針對eGaN HEMT的高速可靠驅(qū)動電路。從整機結(jié)構(gòu)和無源元件選型設計和放置角度出發(fā)，提高樣機的功率密度。優(yōu)化傳統(tǒng)逆變器布局結(jié)構(gòu)，盡可能減小回路寄生電感，提升逆變器整體性能。優(yōu)化設計高頻控制算法，提高動態(tài)響應速度和控制精度，降低轉(zhuǎn)矩脈動，最終研制出高效率、高功率密度、高控制精度、低轉(zhuǎn)矩脈動的高頻GaN基電機驅(qū)動器樣機

3、研究內(nèi)容

1）eGaN HEMT高速可靠驅(qū)動電路設計

與Si器件相比，eGaN HEMT具有開關(guān)速度快，導通電阻小的優(yōu)勢。一般來說，提高功率器件的開關(guān)速度有利于減小開關(guān)損耗，但是隨之而來的高du/dt和di/dt使得eGaN HEMT的開關(guān)特性對寄生參數(shù)更為敏感，其開關(guān)過程中的電壓和電流尖峰也更為嚴重，再加上eGaN HEMT本身的柵源電壓范圍較窄，柵源閾值電壓較低，關(guān)斷過程誤導通問題也因此凸顯，所以需要合理優(yōu)化驅(qū)動電路布局設計，盡可能減小驅(qū)動電路的寄生參數(shù)，提高驅(qū)動電路可靠性。其次，高速開關(guān)在橋臂電路中帶來的串擾問題也容易引起橋臂直通現(xiàn)象，因此合理設計輔助電路抑制橋臂串擾問題也尤為重要。

2）高頻控制策略研究

與Si器件相比，eGaN HEMT的開關(guān)頻率較高，可達MHz級別，同時其開關(guān)損耗較小，因此在同開關(guān)損耗的情況下，eGaN HEMT可工作在更高的開關(guān)頻率下。對于電機驅(qū)動器來說，提高功率器件開關(guān)頻率能夠提高電機驅(qū)動器的功率密度、提高控制精度和動態(tài)響應性能，同時降低轉(zhuǎn)矩脈動，減小電機工作噪聲。但是，高頻化也對電機驅(qū)動控制策略提出了

更高的要求，現(xiàn)有控制器和控制策略還沒有經(jīng)過高頻化的控制驗證，因此需要優(yōu)化現(xiàn)有控制策略使其滿足高頻電機驅(qū)動控制要求。

3）高功率密度設計

隨著電力電子行業(yè)的不斷發(fā)展，對電力電子裝置的要求不斷提高，功率密度作為衡量電機驅(qū)動器優(yōu)劣的重要指標，也受到了更多的重視，尤其是電動汽車和航空航天領(lǐng)域，由于空間和重量的限制，對功率密度提出了更高的要求。相較于Si器件而言，GaN器件的高開關(guān)頻率能夠減小電機驅(qū)動器中無源元件的體積，同時其耐高溫工作能力也可減小散熱系統(tǒng)的體積，因此使用GaN器件制作電機驅(qū)動器能夠在一定程度上增大傳統(tǒng)電機驅(qū)動器的功率密度，再通過整體布局和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，可將GaN基電機驅(qū)動器的功率密度提高到較高的水平。

4、主要技術(shù)指標

GaN基電機驅(qū)動器樣機：

1）交流輸入范圍：85VAC~265VAC

2）額定功率：1kW

3）功率密度：≥2.5kW/L

4）無位置控制方式啟動時間：<3S

5）全功率范圍工作環(huán)境溫度：30℃~55℃

6）效率：>96%（額定電壓，滿載）

7）待機功耗：<0.8W

8）開關(guān)頻率：>50kHz

9）全范圍轉(zhuǎn)速下電流THD：<5%

5、進度要求

18個月。

6、經(jīng)費要求

建議不超過30萬。

7、成果形式

1）1kW GaN基電機驅(qū)動器樣機2套；

2）發(fā)表高水平論文2篇；

3）申請發(fā)明專利1項；

4）技術(shù)研究報告3份；

5）相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)論著一部。

(二)具有過流保護功能的全GaN單片集成功率變換器關(guān)鍵技術(shù)

研究

1、研究背景

面對各種新興運算應用對高頻、高效、高功率且具有更多功能的功率變換器的要求與挑戰(zhàn)，GaN功率器件能夠有效地提升DC-DC變換器的工作頻率與效率，同時實現(xiàn)功率變換器的集成多功能化。常規(guī)的GaN分立型功率器件需要復雜的驅(qū)動芯片與外圍電路來實現(xiàn)高頻功率變換與過流保護等功能，然而其芯片與電路互連中帶來的寄生參數(shù)嚴重制約工作頻率與效率。通過在GaN襯底上單片集成功率器件與功能電路，能夠顯著降低功率變換器內(nèi)部寄生參數(shù)，實現(xiàn)具有集成雙邊驅(qū)動和過流保護電路的全GaN單片集成功率變換器，為48V電壓等級降壓變換應用提供具有過流保護的MHz級高頻、高效、高功率解決方案。

2、研究目標

針對高頻、高效、高功率的GaN功率變換器研制要求，開展全GaN集成單片式功率變換器的結(jié)構(gòu)設計和工藝技術(shù)研究，探索GaN多功能集成設計方法。建立基于GaN功率晶體管工藝的集成電路設計方法，闡明器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路功能間的作用關(guān)系，提出并實現(xiàn)具有新型拓撲結(jié)構(gòu)的GaN雙邊驅(qū)動與過流保護電路。開展硅基GaN襯底集成技術(shù)研究，建立低寄生參數(shù)互連關(guān)鍵工藝技術(shù)，提出MHz級高效單片功率變換器設計與集成方法。結(jié)合單片集成關(guān)鍵工藝技術(shù)，研制出具有過流保護功能的高頻、高效、高功率全GaN功率變換器樣品。

3、主要研究內(nèi)容

1）GaN驅(qū)動電路與過流保護電路設計研究

針對GaN功率變換器對集成驅(qū)動與保護功能的要求，研究GaN器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與NMOS邏輯電路功能的關(guān)系，研究GaN雙邊驅(qū)動與過流保護電路設計技術(shù)，包括GaN雙邊驅(qū)動電路的延時降低和輸出能力提升、過流保護電路的防誤觸發(fā)和保護速度提升等技術(shù)。

2）MHz級全GaN功率變換器設計與集成研究

針對MHz級高效單片功率變換器的需求，研究硅基GaN單片集成關(guān)鍵工藝技術(shù)，包括GaN高壓功率晶體管、低壓控制晶體管與二極管的低寄生參數(shù)集成技術(shù)，研究全GaN功率變換器設計方法與集成技術(shù)，研制具有過流保護功能的MHz級全GaN單片集成功率變換器。

4、技術(shù)指標

全GaN單片集成功率變換器樣品：

1）輸入電壓48V，輸出電壓12V；

2）輸出功率≥5W；

3）工作頻率≥1MHz；

4）最大工作效率≥80%；

5）過流保護動作時間＜2μs。

5、進度要求

24個月。

6、經(jīng)費要求

建議不超過30萬元。

7、成果形式

1）全GaN單片集成功率變換器樣品；

2）發(fā)表高水平論文5篇，其中SCI/EI論文3篇；

3）申請發(fā)明專利2項；

4）技術(shù)研究報告2份。

(三)耐高溫SiC集成電路關(guān)鍵技術(shù)研究

1、研究背景

在航空航天，石油鉆探，火力發(fā)電，核能，冶金，化工等高溫惡劣的工況下，基于傳統(tǒng)硅材料的半導體器件已經(jīng)無法正常工作。為了解決此問題，需要使用SiC材料制作耐高溫的集成電路作為信號處理芯片，提高耐高溫系統(tǒng)的集成度，降低系統(tǒng)的復雜程度。

現(xiàn)在使用SiC材料制作的集成電路主要使用BJT和JFET器件，由于器件自身的限制，其性能和功能復雜程度都受到很大的限制。若能制作CMOS集成電路，首先相比于使用BJT和JFET器件，其靜態(tài)功耗可以大大降低，另外還可以將硅基電路中的研究設計方法推廣至SiC基CMOS電路中，實現(xiàn)更復雜更高級的電路功能。

2、研究目標

本項目擬開展基于碳化硅材料的 CMOS 高溫集成電路器件和關(guān)鍵工藝的研究。主要包括了對高溫下SiC MOSFET 的退化機制進行研究闡明，對可能的退化機制進行理論預測和研究。研究碳化硅集成電路的高溫金屬工藝，開展低退火溫度形成高質(zhì)量歐姆接觸的機理和工藝研究。實現(xiàn)能夠正常工作在500℃以上的集成電路芯片。為SiC材料更加高效的應用在高溫作業(yè)環(huán)境中提供理論和技術(shù)基礎。

3、研究內(nèi)容

1）SiC場效應管在高溫環(huán)境下的退化機理研究

深入研究高溫下 N 型溝道和 P 型溝道 MOSFET 的退化機制，針對退化機制進行器件結(jié)構(gòu)和制造工藝上的優(yōu)化改進，提出針對高溫應用的 SiC CMOS 器件結(jié)構(gòu)和集成電路的制造工藝方案。

對半導體器件而言，當器件的產(chǎn)生功率等于相應條件下的耗散功率時，器件達到熱平衡狀態(tài)。器件只有處在穩(wěn)定的平衡點時，才能可靠的工作，一旦跳到非穩(wěn)定平衡點，器件則極有可能發(fā)生熱失效。 當環(huán)境溫度升高至500℃以上時，無論是N型溝道還是P型溝道的MOSFET 都會因為環(huán)境高溫而無法及時耗散掉所產(chǎn)生的熱量，無法達到熱平衡的工作狀態(tài)。熱量的積累會引起載流子遷移率下降，歐姆接觸的比接觸電阻升高，從而導致器件的導通電流嚴重退化。另外，當環(huán)境溫度升高后， CMOS 器件的閾值電壓也會隨之變化，需要通過理論分析和仿真來確定工作電壓，以保證 SiC CMOS 器件有足夠大的工作電流。此外，通過仿真分析得到器件在高溫環(huán)境下的熱失效機理，對器件結(jié)構(gòu)進行針對性的優(yōu)化，使器件能夠更好的在高溫環(huán)境中工作。

2）耐高溫金半接觸工藝技術(shù)研究

通常 SiC 材料上的歐姆接觸通常采用 Al、Ni、Ti 等金屬，但當工作溫度升高至 500℃以上時，這些金屬會發(fā)生相變，降低歐姆接觸的比接觸電阻，甚至會蛻變?yōu)樾ぬ鼗佑|，使場效應晶體管無法正常工作。因此需要對高溫下 P 型和 N 型 SiC 材料上歐姆接觸的形成機理和工作機理進行研究，以得到能夠長時間在高溫下保持低的比接觸電阻的歐姆接觸。國內(nèi)外對 SiC 材料上的歐姆接觸研究較多，但針對高溫應用的報道則比較有限。如何選擇合適的金屬及工藝形成所需要歐姆接觸，并且分析歐姆接觸形成過程中的機理則是本項目的重點之一。

深入研究高溫下碳化硅材料上的金屬工藝，選用適用于高溫環(huán)境的金屬結(jié)構(gòu)，通過實驗對低溫退火條件下歐姆接觸形成機理進行研究， 并提出相應的金屬工藝， 保證 SiC 材料上的歐姆接觸和金屬互聯(lián)等金屬工藝能在高溫條件下具有高可靠性和高性能。

3）耐高溫碳化硅差動放大器研究

差動放大器是最重要的電路發(fā)明之一，由于差動放大具有很多有用的特性，所以它已經(jīng)成為當代高性能模擬電路和混合信號電路的主要選擇。差動工件與單端工作相比，一個重要的優(yōu)勢在于它對環(huán)境噪聲具有更強的抗干擾能力。差動信號的另一個有用的特性是增大了可得到的最大電壓擺幅。差動電路的優(yōu)勢還包括偏置電路更簡單和更高的線性度。研究差動輸入和共模輸入發(fā)生變化時電路的大信號特性是有益的。

4、技術(shù)指標

1）制備出能夠穩(wěn)定工作在 500℃以上，比接觸電阻<10-5?.cm2 量級的耐高溫歐姆接觸；

2）實現(xiàn)能夠正常工作在 500℃以上的SiC差動放大器電路，工作電源電壓范圍在8V~30V，全溫區(qū)最大差分增益≥6db，最大共模增益≥6db；500℃時，差分增益≥2db，共模增益≥2db。

5、進度要求

18個月。

6、經(jīng)費要求

建議不超過30萬.

7、成果形式

1）SiC CMOS集成電路樣品。

2）發(fā)表高水平論文2篇。

3）申請發(fā)明專利2項。

4）技術(shù)研究報告3份。