宽禁带功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

谢少军，吴新科

（南京航空航天大学，浙江大学）

宽禁带功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

谢少军，吴新科

（南京航空航天大学，浙江大学）

相较于传统的硅器件，基于宽禁带半导体材料的功率电子器件在很多方面都体现出了优越的性能，符合功率变换器高效率、高工作温度及高功率密度的发展需求。近几年来，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件的制造技术发展迅速，多家公司推出了系列商业化产品，宽禁带功率电子器件及其应用已成为当前电力电子学科研究热点之一。

为集中展现宽禁带半导体器件及其应用方面的最新研究成果和进展，《电源学报》特别推出“宽禁带功率电子器件及其应用”专辑。本专辑征文得到了国内各高校和企业同行的积极响应和大力支持，共收到稿件22篇，经过认真细致的评审，录用18篇。其中关于器件发展及新型器件相关论文2篇，器件建模及器件应用特性分析相关论文4篇，器件在特定电路中的应用相关论文7篇，应用宽禁带器件的高密度功率变换器集成封装相关论文2篇，应用综述相关论文3篇。

宽禁带半导体材料及器件的发展是宽禁带功率电子器件应用的基础。中山大学刘扬教授等的“第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战”归纳了GaN器件的技术路线、产业化发展现状，分析了GaN器件的关键技术和挑战，介绍了该器件的国内发展现状，指出凹槽绝缘栅结构的常关型GaN MOSFET器件是基于CMOS工艺的Si衬底上GaN功率开关器件的产业化发展方向。刘扬教授课题组的“选择区域外延槽栅结构GaN常关型MOSFET的研究”提出选择区域外延方法以避免刻蚀对栅极沟道的损伤，通过改进外延工艺实现二次生长的异质结构质量达到标准异质结构水平，使器件具备优越的阈值电压稳定性，证明了选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET的可行性与优越性。

宽禁带功率电子器件的建模及其特性分析是发展新的应用概念、提出有效的器件应用技术的必要手段，对器件的大范围应用具有十分重要的推动作用。全球能源互联网研究院赵波及北京交通学李虹、郑琼林教授等的“适用于电动汽车的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究”将电压控制电流源作为SiC MOSFET模型的内核，以描述SiC MOSFET的转移特性和输出特性、采用恒定电容的栅漏电容子电路模型以模拟其动态特性、在简化参数提取方法的同时，能够满足模型准确性的要求。安徽工业大学李勇杰等的 “改进的碳化硅MOSFETs Spice电路模型”提出了一种简化的含温控电源的SiC MOSFETs的Spice电路模型，以在宽温度范围内更准确地反映SiC MOSFETs的转移特性。中国科学院电工所宁圃奇、温旭辉研究员等撰写的论文 “1 200 V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究”在搭建输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和降压变换器电路的基础上，对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究，指出了SiC MOSFET应用时的主要特点。南京航空航天大学谢少军教授等的“SiC MOSFET的特性及其应用的关键技术分析”基于对SiC MOSFET与Si MOSFET/IGBT的静态、动态特性的对比，总结了SiC MOSFET在实际应用中需要关注的重点特性，从SiC MOSFET建模、驱动电路设计、EMI抑制以及拓扑与控制方式的选择等方面对国内外研究成果进行了归纳与评述，指出了SiC MOSFET在应用中所要解决的关键问题。

宽禁带功率电子器件在功率变换的众多领域有着广泛的应用前景和价值，能显著提升电力电子装置的性能。清源科技（厦门）股份有限公司王长庚等的“基于碳化硅功率器件的宽输入电压双管正激式直流电源研究”采用碳化硅器件和双管正激电路研制了用于太阳能并网逆变器的宽输入1 kW供电电源。科锐香港有限公司刘学超博士等的“基于新型1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET的三相双向逆变器研究”介绍了开关频率60 kHz、输入电压600～800 V、功率20 kVA的二电平三相逆变器研究结果，试验样机最高效率接近99%。谢少军教授等的“SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究”介绍了SiC MOSFET在航空静止变流器中应用的特点和驱动技术。浙江大学吴新科、盛况教授等的 “基于碳化硅MOSFET的99.2%高效率功率因数校正器”设计了1.1 kW的全碳化硅半桥功率因数校正变换器，采用电感电流三角波模式控制方式使器件工作在零电压开通状态，变换器的峰值效率达到了99.2%。哈尔滨工业大学王懿杰、徐殿国教授等的 “基于GaN FETs的高频半桥谐振变换器分析与设计”分析了高频条件下寄生电感参数对系统驱动电压及漏源极电压的影响和高频条件下系统电压电流的测量问题。电子科技大学陈万军、张波教授等的“基于GaN Buck电路死区功耗分析与优化”指出采用GaN HEMT替换传统Si功率器件后，系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素，分析了GaN HEMT器件在Buck型开关电源系统中的工作机制及死区时间对功耗的影响，优化设计的输入电压12 V、输出电压1.2 V、开关频率700 kHz的GaN变换器在负载电流20 A的情况下电能变换效率可达到92%。西安交通大学杨旭教授等的 “基于GaN器件LLC谐振变换器的平面变压器优化设计”设计了同步整流LLC谐振变换器，通过对平面变压器的结构优化减小了变换器体积，研制的1 MHz/120 W样机的功率密度达到了262 W/in3，最高效率达到了94.9%。

宽禁带器件的高开关频率工作提高了变换器的功率密度，线路杂散参数成为影响变换器性能的一个关键因素，而集成封装是解决杂散参数问题的一个重要手段。华中科技大学陈材、康勇教授等的“基于封装集成技术的高功率密度碳化硅单相逆变器”提出了一种采用直流侧并联Boost APF抑制二次纹波的高功率密度单相集成逆变器，采用新型高功率密度低感全SiC半桥混合封装结构，研制的全数字控制2 kW单相逆变器的功率密度达到了58.8 W/in3，最大效率达到98.3%。吴新科、盛况教授等的“共源极电感对SiC MOSFET开关损耗影响的研究”指出共源极电感严重影响高速开关的SiC MOSFE的开关特性和开关损耗，通过实验研究了共源极电感对SiC MOSFET的开通损耗、关断损耗的影响。

宽禁带功率电子器件的优良特性已展示出了其在高性能功率变换领域广泛的发展前景。南京航空航天大学秦海鸿副教授等的 “宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用”对宽禁带器件在电动汽车中的研究现状进行了分析和展望，指出了其在电动汽车应用中面临的主要问题。秦海鸿教授另一篇论文“耐高温变换器研究进展及综述”分析了SiC基耐高温变换器各部件的技术发展现状，介绍了SiC基耐高温变换器应用实例。南京工程学院倪喜军博士的“高压SiC器件在FREEDM系统中的应用”简述了与碳化硅主要生产商CREE紧密合作的美国北卡州立大学FREEDM研究中心的宽禁带功率电子器件应用研究情况，重点介绍了高压SiC MOSFET、IGBT、ETO、JFET在固态变压器 SST（solid state transformer）和故障隔离器FID（fault isolation device）中的应用研究。

综上，本专辑论文基本上涵盖了宽禁带半导体器件及其应用研究的各个热点问题，展示了国内学者在该领域的研究现状，多数论文都有实验验证，具有较高的技术水准，以及研究和应用参考价值。同时，也应该注意到，宽禁带功率电子器件及其应用目前仍然处于发展初期，半导体材料、器件结构与工艺研究等方兴未艾，器件自身特性及其高开关频率工作使得宽禁带器件的应用并不是对传统硅基器件的简单替代，而是带来了应用电路、驱动、封装、散热和电磁兼容等方面的诸多问题，这些问题都还有待更全面和深入的研究。希望本专辑的出版能够对宽禁带功率电子器件及其应用的研究起到一定的推动和启发作用。

最后，衷心感谢专家学者和同行们对本专辑的征文、投稿和评审工作的大力支持！

特邀主编介绍

谢少军（1968-），男，湖北天门人，博士，南京航空航天大学教授，博士生导师。任中国电源学会常务理事、可再生能源电能变换技术专业委员会副主任委员、信息系统供电技术专业委员会副主任委员，中国电工技术学会电力电子与电力传动学会理事。曾获江苏省先进科技工作者、江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师荣誉称号和江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人。

主要从事功率变换技术和航空电源系统研究，发表SCI检索论文20多篇、EI检索论文200余篇，获授权发明专利25项。作为第一完成人获得省部级科技进步二等奖3项、三等奖7项，近5年来主持国家自然科学基金2项、江苏省科技支撑计划1项。

吴新科（1978-），男，江苏无锡人，博士，浙江大学教授。中国电源学会照明专委会委员。曾获全国优秀博士学位论文提名奖，获国家自然科学优秀青年基金，台达环境与教育基金会 “中达青年学者奖”；入选浙江省151人才工程，为杭州市钱江特聘专家。

研究方向为高频率高密度软开关功率变换器、LED驱动电源与系统、SiC功率模块的集成与应用。已发表SCI/EI检索论文110余篇。获浙江省科学技术二等奖1项和中国电源学会科学技术一等奖2项。