GaN HEMT器件在高频PFC功率变换器中应用研究

发布时间：2022-10-19 14:46

　　PFC变换器作为电源系统的前级,提高其功率密度,可以有效提高整个电源系统的功率密度。然而Si-MOSFET的性能已经趋近其理论极限,宽禁带半导体氮化镓（GaN）应运而生,其具有硅材料所不具备的优异性能。结电容小、开关速度快、通态电阻低等优点使得GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）成为高频领域主流的功率半导体器件。但是其驱动电压范围较窄,驱动电路的设计相对困难。针对GaN HEMT器件,当开关频率达到1MHz,采用传统电压源驱动时,驱动回路中的寄生电感会引起栅源电压振荡,超过GaN HEMT器件的栅源耐压值,损坏GaN HEMT器件。采用谐振门极驱动（RGD）电路是解决传统电压源驱动存在问题的有效途径之一,利用LC谐振,在GaN HEMT器件开通和关断时提供一条低阻抗钳位路径,提供稳定的栅源电压。对其进行了原理分析和参数设计,采用DSP28035和CPLD完成RGD驱动逻辑的设计。将谐振驱动电路应用在基于GaN HEMT器件的CCM模式Boost PFC变换器中,开关频率为1MHz。搭建了300W的Boost PFC实验样机,并采用Si-MOSFET作对比实验,获得了相关实验波形和数据。... 

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 GaN器件的概述
        1.2.1 GaN器件的特性
        1.2.2 GaN器件的发展现状
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 GaN器件的应用研究现状
        1.3.2 高频PFC功率变换器的研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 Boost PFC变换器分析与设计
    2.1 引言
    2.2 谐振门极驱动技术
        2.2.1 传统电压源驱动
        2.2.2 谐振门极驱动
    2.3 RGD电路的分析与设计
        2.3.1 RGD电路结构和工作原理
        2.3.2 RGD电路的特点
        2.3.3 RGD电路的参数设计
    2.4 基于GaN HEMT的Boost PFC变换器
    2.5 主电路参数设计
        2.5.1 电感设计
        2.5.2 输出电容设计
        2.5.3 开关器件选择
    2.6 损耗计算与分析
        2.6.1 损耗计算
        2.6.2 损耗对比分析
    2.7 基于GaN HEMT的单相Boost PFC系统软硬件设计
        2.7.1 采样电路设计
        2.7.2 DSP程序设计
        2.7.3 辅助开关驱动逻辑设计
    2.8 本章小结
第3章 Boost PFC变换器仿真与实验
    3.1 引言
    3.2 单相Boost PFC变换器仿真
        3.2.1 仿真电路图
        3.2.2 仿真结果分析
    3.3 实验样机
    3.4 基于RGD电路的Boost PFC变换器实验结果
        3.4.1 RGD驱动电路实验波形
        3.4.2 基于GaN HEMT的Boost PFC变换器实验波形
        3.4.3 基于GaN HEMT的Boost PFC变换器测量结果
        3.4.4 基于Si-MOSFET的Boost PFC变换器实验结果
        3.4.5 效率曲线对比
    3.5 本章小结
第4章 图腾柱无桥PFC分析与设计
    4.1 引言
    4.2 图腾柱无桥PFC变换器
        4.2.1 传统图腾柱无桥PFC变换器
        4.2.2 基于GaN HEMT的图腾柱无桥PFC变换器基本原理
        4.2.3 基于GaN HEMT的图腾柱无桥PFC变换器控制方法
    4.3 主电路参数设计
        4.3.1 电感设计
        4.3.2 输出电容设计
        4.3.3 开关器件选择
    4.4 主电路损耗计算
        4.4.1 电感损耗计算
        4.4.2 主电路开关管损耗计算
    4.5 无桥PFC电路硬件设计
        4.5.1 驱动电路设计
        4.5.2 采样电路设计
    4.6 本章小结
第5章 图腾柱无桥PFC变换器仿真与实验
    5.1 引言
    5.2 图腾柱无桥PFC变换器仿真
        5.2.1 仿真电路图
        5.2.2 仿真结果分析
    5.3 实验样机
    5.4 图腾柱无桥PFC变换器实验验证
        5.4.1 图腾柱无桥PFC变换器实验
        5.4.2 图腾柱无桥PFC变换器测量结果
    5.5 GaN器件驱动电压振荡问题分析
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]宽禁带半导体器件研究现状与展望[J]. 朱梓悦,秦海鸿,董耀文,严仰光,徐华娟.  电气工程学报. 2016(01)
[2]MOSFET开关损耗分析[J]. 赵辉,徐红波.  电子设计工程. 2015(23)
[3]半导体可靠性技术现状与展望[J]. 杨立功,于晓权,李晓红,罗俊.  微电子学. 2015(03)
[4]电力电子器件及其应用的现状和发展[J]. 钱照明,张军明,盛况.  中国电机工程学报. 2014(29)
[5]一种断续电流模式的新型高频电流源驱动电路[J]. 张之梁,李艳楠,徐传岗.  中国电机工程学报. 2011(18)
[6]高频谐振门极驱动电路的研究[J]. 刘丽,马瑜,谢小高,钱照明.  电力电子技术. 2007(11)
[7]利用附加电感实现高频功率MOSFET谐振栅极驱动[J]. 沈刚,王华民.  电气传动. 2005(01)
[8]COOLMOS ICE2A系列的应用研究[J]. 周新英,越珂.  电源技术应用. 2002(10)
[9]COOLMOS ICE2A系列的应用研究[J]. 周新英,越珂.  电源技术应用. 2002 (10)

博士论文
[1]面向光伏逆变系统的氮化镓功率器件应用研究[D]. 张雅静.北京交通大学 2015

硕士论文
[1]GaN HEMT功率器件新结构和模型研究[D]. 付文丽.电子科技大学 2013



本文编号：3693562