新型功率半导体器件技术研发——国家“青年千人计划”专家、湖南大学王俊教授

2019-01-05

硅（Si）基电力电子器件广泛地应用于国民经济、国防和航空航天等产业领域，实现了对电能传输、分配及使用的较优控制转换，大幅度节约了电能。但硅基电力电子器件的电学性能已接近由硅材料特性决定的理论极限，依靠提高硅基器件性能来提高电力电子系统性能的空间已经十分有限。碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，具有硅无法比拟的优势：3倍的禁带宽度、10倍的临界击穿电场；突破了硅基器件性能的理论极限；大幅提升了器件耐压等级、开关频率和工作温度等性能；实现电力电子装置电能转换效率和功率密度等性能的大幅提高。国家科技支撑计划重点项目“电力电子关键器件及重大装备研制”将新型电力电子器件及电力电子集成技术列为该项目的一项课题。湖南大学王俊教授系该课题负责人，他长期从事功率半导体器件研发与推广应用方面的前沿研究，取得了诸多项创新成果，为推广SiC功率半导体器件的应用作了积极贡献。

一、碳化硅二极管研制及可靠性研究

二极管在电力电子系统中有多种用途，如整流、续流等，其地位十分重要。如何提高碳化硅二极管的可靠性是促进其发展必须解决的问题。王俊教授对如何提高碳化硅二极管浪涌电流能力进行深入研究，他提出的新型MPS结构可以有效提高二极管的抗浪涌能力。此外，他开展了二极管失效机理的理论研究，将碳化硅二极管的失效模式与系统的故障预测相结合，从而保障系统高可靠性运行，为进一步推动碳化硅二极管的应用作出了贡献。

二、碳化硅双极结型晶体管功率集成技术及高效使用方法研究

碳化硅BJT相对于碳化硅MOSFET具有导通电阻低、开关频率相当、安全工作区域大、制备工艺相对简单和无栅氧可靠性问题等优势，在宇航、深层地下空间探索、电动汽车和多电/全电飞机等领域具有较大的前景。王俊教授结合当前电力电子系统高温、高频小型化、高功率密度的发展趋势和国际研究前沿，在国家自然科学基金的支持下研究碳化硅BJT的功率集成技术及高效使用方法。为解决功率集成技术中的关键核心难题，他提出了一种新型的适合于功率集成的横向BJT结构，并通过设计电流通道改善了横向BJT的性能，实现了碳化硅BJT功率集成技术。同时，由于碳化硅BJT是电流控制型器件，存在驱动损耗大的问题，为了解决此问题并推广碳化硅BJT的应用，提出了一种碳化硅BJT的等比例智能驱动，采用该驱动技术可以在负载变化时节约70%的驱动损耗，进一步推动了碳化硅BJT的发展。

三、碳化硅MOSFET安全可靠工作方法研究及推广应用

碳化硅MOSFET性能优越，很有可能取代硅IGBT的主导地位。但碳化硅MOSFET的价格昂贵，阻碍了其发展。王俊教授采用硅IGBT并联碳化硅MOSFET的方案实现了成本和性能的折中。然而两种器件的特性差异巨大，使得可靠性及稳定性成为SiC/Si混并联器件广泛应用的技术瓶颈。碳化硅MOSFET的栅氧比硅基器件更薄，容易在高温条件下受损，导致碳化硅MOSFET的短路时间短，保护困难，高温运行稳定性差等问题。对于这现象，提出SiC/Si混并联器件结温平衡运行模式，通过特殊的门极驱动方式，使SiC/Si混并联器件损耗分配符合一定的准则，保护器件不会因为结温过高而损坏，同时两器件同时达到最高限制结温，有利于提升变换器的功率等级。为了实现结温平衡，通过采用基于TSEP的在线SiC/Si混并联器件主动结温控制技术，根据结温偏差实时调节两个器件的损耗分配，实时控制两个器件的结温平衡并降低负载波动时的结温度偏差和波动，提升了SiC/Si混并联变换器的稳定性和可靠性。

四、基于碳化硅器件的多电平变换器故障诊断和预测研究

碳化硅器件可以实现较高的开关频率，较低的开关损耗及较低的成本。如何实现更高的电压等级及在高压下保证器件的稳定性是SiC发展的关键挑战。基于上述背景，王俊教授提出采用多电平技术来提高SiC的应用电压等级和功率范围，从系统架构、拓扑结构、控制和调制技术、集成、组件尺寸、电路复杂性和可扩展性方面出发，解决SiC目前的发展瓶颈和技术障碍，使之能在电力电子系统中得到商业化应用。同时，采用多电平技术还可以减少谐波含量、共模电压、电压上升速率和电磁干扰，具有更高的效率和更好的容错措施。针对SiC多电平技术可靠性及控制问题，他开创性提出了利用多重傅里叶技术实现故障的快速诊断定位和基于深度神经网络的预测控制模型，解决了多电平模型建模困难、运算量大、控制复杂、鲁棒性差的缺点，具有非常好的控制效果。

五、基于碳化硅器件的新能源微电网控制器研究

新能源微电网具有惯性低的特点，采用虚拟同步发电机控制策略虽能有效提高微网的频率惯性，但该控制策略不具有电压惯性环节，并难以解耦，导致微电网抑制系统扰动影响的能力差。尤其是基于碳化硅器件的新能源微电网在更高频率运行时，其惯性更低。为解决电压惯性低和控制策略无解耦的问题，王俊教授提出了具有高电压惯性和强解耦能力的改进虚拟同步发电机控制策略，并建立了基于碳化硅器件的新能源微电网的仿真模型，包括微电网主电路部分、新能源发电部分和基于改进虚拟同步发电机控制策略的控制部分。研究了不同无源器件参数情况下的系统惯性特性和耦合特性，根据这些特性设置合适的控制参数，提升了微电网整体的电压惯性并实现了控制的解耦。

专家简介

王俊，湖南大学教授、博士生导师，国家“青年千人计划”获得者。2003年在中国科学院半导体研究所获硕士学位，2010年在美国北卡罗莱纳州立大学电子系获博士学位，从事高压碳化硅功率器件及其应用的研究。2010年2月至2013年12月，任美国德州仪器公司（TI）高级工程师，从事新型低压功率MOSFET产品的研发，其研发的硅基功率MOSFET产品应用在苹果公司的iphone5和ipad上。2014年，担任湖南大学“青年千人计划”特聘教授。其研究主要集中在功率半导体器件的研发及其在电力电子系统中的应用，包括硅基、SiC基和GaN基功率器件的设计优化和研制，功率集成技术研究，功率半导体器件和电力电子装置的可靠性研究，耐高温和高功率密度变换器，微网控制器，基于深度神经网络的预测控制在电力电子和电机领域的应用研究等。王俊教授是IEEE高级会员，担任IEEE JESTPE（影响因子4.3）期刊和CPSS Transactions on Power Electronics and Applications期刊编委，发表IEEE期刊和国际会议论文50余篇，受邀IEEE国际会议大会特邀报告1次、组委会成员1次、技术委员会委员3次、分会主席4次，受中国宽禁带半导体产业联盟大会特邀作报告2次。