单体增强型GaN驱动电路设计及稳定性研究
发布时间：2020-06-16 23:25
【摘要】：氮化镓(Gallium Nitride,GaN)新型半导体器件具备优异的电气性能,具有硅(Silcon,Si)半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力。在实际应用中,GaN晶体管的优良性能的充分发挥与栅极驱动电路设计密切相关。但是驱动电路在设计上面临着GaN晶体管阈值电压低、栅极电压安全范围小、需要负压关断等挑战。Si MOSFET采取的驱动方案不适用于GaN晶体管。因此,本文将针对增强型(Enhanced-mode,E-mode)GaN晶体管设计适用的驱动电路,然后使用负电导模型对GaN基电路的稳定性进行分析。首先研究600V电压等级的E-mode型GaN晶体管的器件结构和开关特性。研究了一款600V的E-mode型GaN器件Hybrid Drain Gate Injection Transisotr(HDGIT),分析其实现常关与抑制电流崩塌的机理。研究该晶体管与MOSFET在开关过程中存在的不同之处。对该晶体管搭建双脉冲测试平台进行开关性能测试,并将测试结果与另一款650V的E-mode型GaN晶体管GS66508P进行对比。其次设计适合E-mode型GaN晶体管使用的驱动电路。结合GaN HDGIT在栅源极存在寄生二极管的特点分别使用驱动芯片UCC27511与内置恒流源的驱动芯片AN34092B设计RC式驱动电路,该驱动电路具有驱动电压范围大、开关速度快、具有负压关断等特点。分析两种RC式驱动电路的工作原理并搭建相应的双脉冲测试平台,对不同电流等级下的开关性能进行测试并对比分析。对E-mode型GaN晶体管的驱动电路提出了两种优化设计,并通过仿真和实验验证了优化方案的可行性。最后对基本反馈振荡器理论和负阻振荡器理论进行了介绍,明确GaN基电路使用负电导模型判断电路稳定性更恰当。其次,基于GaN HDGIT双脉冲测试电路,对该电路建立负电导模型,然后基于负电导模型的稳定性准则判断GaN基电路的稳定性。分析了 GaNHDGITPGA26E07BA在不同电压等级下的电路稳定性,并通过双脉冲测试平台的实验结果验证了所提出的模型的准确性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN303
【图文】：
ＧａＮ晶体管可承受高电压并提供低导通电阻，而低压ＭＯＳＦＥＴ提供低门极驱动和逡逑低反向恢复。第二类为制造工艺决定的器件本身实现的单体增强型（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ逡逑Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ－ｍｏｄｅ，Ｅ－ｍｏｄｅ）ＧａＮ晶体管。这两种ＧａＮ晶体管的结构如图１－１所逡逑不。逡逑９邋Ｄ逡逑＿邋ｈｉｎ逦９邋Ｄ逡逑ｍｌ逦一逡逑0——－（？－，邋２１邋：逦＾￣￣１逡逑Ｇ邋！广一Ｔ邋丨逦Ｇ逡逑ｓ逦ＳＳ0ｉｓ逡逑（ａ）邋Ｃａｓｃｏｄｅ邋型逦（ｂ）邋Ｅ－ｍｏｄｅ邋型逡逑图１－１邋ＧａＮ晶体管结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＧａＮ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ逡逑ＧａＮ材料以其高功率密度、低损耗、适合高频工作等优异特性被誉为下一代半逡逑导体的核心技术，无论是民用或是军事领域都具有广阔的应用前景，各国企业争相逡逑研究。在一些优先考虑功率密度的重要行业，ＧａＮ材料开始逐渐替代硅材料。目逡逑前，ＧａＮ在５Ｇ、射频、消费类电子产品、激光雷达等多个热门领域都具有很大的逡逑发展潜力。５Ｇ技术可以提供比目前４Ｇ网络快１０？１００倍的速度，基站收发信机上逡逑将需要使用更多的射频器件，因此射频器件的体积很关键。ＧａＮ功率器件尺寸小、逡逑效率高和功率密度大的特性可实现高集化的解决方案。电子消费设备的升级使得逡逑充电器的功率也随之增大，在相同的功率下，使用内置ＧａＮ功率器件的充电器与逡逑传统充电器相比可以减少４０％的体积
ＧａＮ晶体管可承受高电压并提供低导通电阻，而低压ＭＯＳＦＥＴ提供低门极驱动和逡逑低反向恢复。第二类为制造工艺决定的器件本身实现的单体增强型（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ逡逑Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ－ｍｏｄｅ，Ｅ－ｍｏｄｅ）ＧａＮ晶体管。这两种ＧａＮ晶体管的结构如图１－１所逡逑不。逡逑９邋Ｄ逡逑＿邋ｈｉｎ逦９邋Ｄ逡逑ｍｌ逦一逡逑0——－（？－，邋２１邋：逦＾￣￣１逡逑Ｇ邋！广一Ｔ邋丨逦Ｇ逡逑ｓ逦ＳＳ0ｉｓ逡逑（ａ）邋Ｃａｓｃｏｄｅ邋型逦（ｂ）邋Ｅ－ｍｏｄｅ邋型逡逑图１－１邋ＧａＮ晶体管结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＧａＮ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ逡逑ＧａＮ材料以其高功率密度、低损耗、适合高频工作等优异特性被誉为下一代半逡逑导体的核心技术，无论是民用或是军事领域都具有广阔的应用前景，各国企业争相逡逑研究。在一些优先考虑功率密度的重要行业，ＧａＮ材料开始逐渐替代硅材料。目逡逑前，ＧａＮ在５Ｇ、射频、消费类电子产品、激光雷达等多个热门领域都具有很大的逡逑发展潜力。５Ｇ技术可以提供比目前４Ｇ网络快１０？１００倍的速度，基站收发信机上逡逑将需要使用更多的射频器件，因此射频器件的体积很关键。ＧａＮ功率器件尺寸小、逡逑效率高和功率密度大的特性可实现高集化的解决方案。电子消费设备的升级使得逡逑充电器的功率也随之增大，在相同的功率下，使用内置ＧａＮ功率器件的充电器与逡逑传统充电器相比可以减少４０％的体积
本文编号：2716743
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN303
【图文】：
ＧａＮ晶体管可承受高电压并提供低导通电阻，而低压ＭＯＳＦＥＴ提供低门极驱动和逡逑低反向恢复。第二类为制造工艺决定的器件本身实现的单体增强型（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ逡逑Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ－ｍｏｄｅ，Ｅ－ｍｏｄｅ）ＧａＮ晶体管。这两种ＧａＮ晶体管的结构如图１－１所逡逑不。逡逑９邋Ｄ逡逑＿邋ｈｉｎ逦９邋Ｄ逡逑ｍｌ逦一逡逑0——－（？－，邋２１邋：逦＾￣￣１逡逑Ｇ邋！广一Ｔ邋丨逦Ｇ逡逑ｓ逦ＳＳ0ｉｓ逡逑（ａ）邋Ｃａｓｃｏｄｅ邋型逦（ｂ）邋Ｅ－ｍｏｄｅ邋型逡逑图１－１邋ＧａＮ晶体管结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＧａＮ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ逡逑ＧａＮ材料以其高功率密度、低损耗、适合高频工作等优异特性被誉为下一代半逡逑导体的核心技术，无论是民用或是军事领域都具有广阔的应用前景，各国企业争相逡逑研究。在一些优先考虑功率密度的重要行业，ＧａＮ材料开始逐渐替代硅材料。目逡逑前，ＧａＮ在５Ｇ、射频、消费类电子产品、激光雷达等多个热门领域都具有很大的逡逑发展潜力。５Ｇ技术可以提供比目前４Ｇ网络快１０？１００倍的速度，基站收发信机上逡逑将需要使用更多的射频器件，因此射频器件的体积很关键。ＧａＮ功率器件尺寸小、逡逑效率高和功率密度大的特性可实现高集化的解决方案。电子消费设备的升级使得逡逑充电器的功率也随之增大，在相同的功率下，使用内置ＧａＮ功率器件的充电器与逡逑传统充电器相比可以减少４０％的体积
ＧａＮ晶体管可承受高电压并提供低导通电阻，而低压ＭＯＳＦＥＴ提供低门极驱动和逡逑低反向恢复。第二类为制造工艺决定的器件本身实现的单体增强型（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ逡逑Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ－ｍｏｄｅ，Ｅ－ｍｏｄｅ）ＧａＮ晶体管。这两种ＧａＮ晶体管的结构如图１－１所逡逑不。逡逑９邋Ｄ逡逑＿邋ｈｉｎ逦９邋Ｄ逡逑ｍｌ逦一逡逑0——－（？－，邋２１邋：逦＾￣￣１逡逑Ｇ邋！广一Ｔ邋丨逦Ｇ逡逑ｓ逦ＳＳ0ｉｓ逡逑（ａ）邋Ｃａｓｃｏｄｅ邋型逦（ｂ）邋Ｅ－ｍｏｄｅ邋型逡逑图１－１邋ＧａＮ晶体管结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＧａＮ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ逡逑ＧａＮ材料以其高功率密度、低损耗、适合高频工作等优异特性被誉为下一代半逡逑导体的核心技术，无论是民用或是军事领域都具有广阔的应用前景，各国企业争相逡逑研究。在一些优先考虑功率密度的重要行业，ＧａＮ材料开始逐渐替代硅材料。目逡逑前，ＧａＮ在５Ｇ、射频、消费类电子产品、激光雷达等多个热门领域都具有很大的逡逑发展潜力。５Ｇ技术可以提供比目前４Ｇ网络快１０？１００倍的速度，基站收发信机上逡逑将需要使用更多的射频器件，因此射频器件的体积很关键。ＧａＮ功率器件尺寸小、逡逑效率高和功率密度大的特性可实现高集化的解决方案。电子消费设备的升级使得逡逑充电器的功率也随之增大，在相同的功率下，使用内置ＧａＮ功率器件的充电器与逡逑传统充电器相比可以减少４０％的体积
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 钱照明;张军明;盛况;;电力电子器件及其应用的现状和发展[J];中国电机工程学报;2014年29期
相关硕士学位论文 前2条
1 崔梅婷;GaN器件的特性及应用研究[D];北京交通大学;2015年
2 尉中杰;AlGaN/GaN HEMT开关功率器件及模型研究[D];电子科技大学;2014年
本文编号：2716743
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