基于功率半桥拓扑的GaN器件高频开关特性研究
发布时间：2020-04-03 00:36
【摘要】：增强型GaN(Gallium Nitride)功率器件具有高电子迁移率、高饱和电子速度和高耐压等优势,适用于高频、高效和高功率密度的功率转换系统。尽管GaN器件在电力电子领域具有广泛的应用前景,但其特殊工作原理和物理特性对电源系统设计和分析提出新的要求。为保证高频开关电源的性能达到最优化设计,需要深入研究GaN功率器件。目前针对增强型GaN器件的开关特性研究多集中于器件层面或脉冲开关条件。本文结合功率器件与功率半桥拓扑,研究增强型GaN功率器件在开关电源中的工作情况,分析器件的高频开关特性,研究内容主要包括以下几个方面:(1)以GaN功率器件和同步Buck开关电源的理论知识为基础,深入研究增强型GaN器件的物理特性,完成开关器件、功率电感和驱动电路选型,设计基于GaN器件的同步Buck开关电源,并通过仿真工具LTSpice XVII验证电路功能。(2)基于高频开关工作条件下的功率半桥拓扑,研究GaN器件稳态及瞬态过程的电流路径,着重分析开启瞬态电学行为,揭示结电容放电导致的高损耗、误开启、可靠性威胁以及系统EMI问题等缺点。根据GaN功率器件物理结构建立小信号模型,借助能带结构及电荷分布,创新性地提出缓冲层电荷转移机制,揭示密勒平台阶段中电子通过缓冲层转移至二维电子气沟道的现象,阐述电流/电压出现尖峰现象的原因,为优化驱动电流设计提供理论基础。(3)研究开启瞬态过程中电路参数对GaN器件性能的影响,分析器件高频开关特性随系统指标的变化规律,完善并推导由电路参数和工作条件决定的驱动电流,优化增强型GaN器件的专用驱动方案设计,提高电源系统安全性和可靠性并抑制EMI问题,推动电流模式驱动方案的加速发展。(4)探索在不同电应力环境下陷阱俘获/释放电子行为,揭示高频工作条件下GaN器件导通电阻的动态变化,进而分析动态导通电阻变化对于功率半桥拓扑的性能影响。最终测试结果表明,在高频工作条件下,GaN器件内部陷阱未完全释放俘获电子,致使缓冲层存在内建负电位,导致动态导通电阻退化,影响GaN器件硬开关损耗,从而降低了功率半桥拓扑效率。
【图文】：
研究背景随着电力电子技术的进步，电子产品的小型智能化发展逐渐加速，电源系效、高功率和轻量化设计显得尤为关键。功率器件作为电源系统的核心元实现低耗节能、高可靠性和低成本电源设计至关重要[1]。当前电源系统的模块仍多采用传统方案，即硅（Silicon，Si）基金属氧化物半导体场效应etal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）作为功率器件导体技术的发展，硅基功率器件的性能已逐渐接近材料限制边界[2]。尽管掺杂工艺得到超结型（Super Junction，SJ）MOSFET 器件可以进一步提高MOSFET 性能，但材料物理特性使其性能提升十分有限。碳化硅（Siliconrbide，，SiC）、氮化镓（Gallium Nitride，GaN）等宽带隙（Wide Band-Gap，W体材料是近二十年兴起的新一代半导体材料，具有很多性能优势。从理论，与 Si 材料的物理特性相比，GaN 材料具有禁带宽度宽、熔点高、击穿电子饱和漂移速度快等优点，使 GaN 功率器件具有耐高压、耐高温和抗性[3-5]。
图 3-1 驱动芯片 LM5113 内部结构和简化应用示意图[80]驱动芯片 LM5113 的内部结构和驱动功率半桥拓扑的原理图如图 3-1 所主要包括电源轨欠压锁定器、电平位移器、钳位电路、逻辑门电路、栅器等模块。芯片共有 10 个引脚，其中：引脚 1 为 VDD 引脚，是 5V 栅极驱动电源引脚，通过靠近驱动芯片/ESL 电容局部解耦到 VSS 引脚。引脚 2 为 HB 引脚，是高侧栅极驱动自举轨引脚，连接自举电容的正极引脚 3 和引脚 4 为 HOH 引脚和 HOL 引脚，分别是高侧驱动模块的开启和关断输出引脚，通过低寄生电感路径连接半桥拓扑中的高侧 GaN 功率 引脚和 HOL 引脚通过连接不同的外接栅极电阻，实现对高侧功率器件和关断速度的分别调控。引脚 5 为 HS 引脚，是高侧器件源端连接引脚，连接自举电容的负极端和 功率器件源端，可用于正确输出浮动高侧驱动信号。引脚 6 和引脚 7 为 HI 引脚和 LI 引脚，分别是高侧驱动信号输入引脚和
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN86
本文编号：2612670
【图文】：
研究背景随着电力电子技术的进步，电子产品的小型智能化发展逐渐加速，电源系效、高功率和轻量化设计显得尤为关键。功率器件作为电源系统的核心元实现低耗节能、高可靠性和低成本电源设计至关重要[1]。当前电源系统的模块仍多采用传统方案，即硅（Silicon，Si）基金属氧化物半导体场效应etal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）作为功率器件导体技术的发展，硅基功率器件的性能已逐渐接近材料限制边界[2]。尽管掺杂工艺得到超结型（Super Junction，SJ）MOSFET 器件可以进一步提高MOSFET 性能，但材料物理特性使其性能提升十分有限。碳化硅（Siliconrbide，，SiC）、氮化镓（Gallium Nitride，GaN）等宽带隙（Wide Band-Gap，W体材料是近二十年兴起的新一代半导体材料，具有很多性能优势。从理论，与 Si 材料的物理特性相比，GaN 材料具有禁带宽度宽、熔点高、击穿电子饱和漂移速度快等优点，使 GaN 功率器件具有耐高压、耐高温和抗性[3-5]。
图 3-1 驱动芯片 LM5113 内部结构和简化应用示意图[80]驱动芯片 LM5113 的内部结构和驱动功率半桥拓扑的原理图如图 3-1 所主要包括电源轨欠压锁定器、电平位移器、钳位电路、逻辑门电路、栅器等模块。芯片共有 10 个引脚，其中：引脚 1 为 VDD 引脚，是 5V 栅极驱动电源引脚，通过靠近驱动芯片/ESL 电容局部解耦到 VSS 引脚。引脚 2 为 HB 引脚，是高侧栅极驱动自举轨引脚，连接自举电容的正极引脚 3 和引脚 4 为 HOH 引脚和 HOL 引脚，分别是高侧驱动模块的开启和关断输出引脚，通过低寄生电感路径连接半桥拓扑中的高侧 GaN 功率 引脚和 HOL 引脚通过连接不同的外接栅极电阻，实现对高侧功率器件和关断速度的分别调控。引脚 5 为 HS 引脚，是高侧器件源端连接引脚，连接自举电容的负极端和 功率器件源端，可用于正确输出浮动高侧驱动信号。引脚 6 和引脚 7 为 HI 引脚和 LI 引脚，分别是高侧驱动信号输入引脚和
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN86
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 周琦;陈万军;张波;;硅基GaN功率半导体技术[J];电力电子技术;2012年12期
本文编号：2612670
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2612670.html
教材专著
