面向光伏逆变系统的氮化镓功率器件应用研究

发布时间：2016-05-10 08:54

1引言

当前，世界能源结构以化石能源为主，这些传统能源的日渐枯竭让世界能源供应面临极大的风险，同时，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源的迅速成为应对能源危机的研究热点。其中，太阳能光伏发电具有无噪声、无污染、能量随处可得、运行成本低、方便与建筑物相结合等优点，成为当今世界开发利用可再生能源的主要形式之一。太阳能光伏发电技术的核心是光电转换，它利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。20世纪90年代以后，光伏发电技术得到快速发展。2012年，欧洲光伏产业协会(European Photovoltaic Industry Association, EPIA)发布的2010-2015年全球累计光伏装机容量发展趋势，如图1.1所示。光伏发展分析中EPIA的两种预测情景(适度情景和政策驱动情景)均显示，全球光伏发电产业将延续高速增长的势头。今后数年内全球光伏发电市场将重新布局，欧盟所占市场份额将下降到40%-45%,其他地区特别是亚洲地区所占份额将大幅增加。在各国政策的积极导引下，2015年全球装机容量将有望达到196GW。

图1.2所示为太阳能光伏发电系统结构示意图。太阳能光伏发电系统中太阳能电池板通过光电效应转换得到的是直流电压。该电压的大小受光伏电池板光照强度和输出电流值等因素的影响。因此，光伏发电系统需要通过基于电力电子变换器的逆变系统将直流电压转换为满足电能质量标准的交流电压以接入电网或供给负载。现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支撑。

1.1光伏逆变系统的发展趋势

集中式逆变器输入侧采用多个光伏电池板串并联产生高压直流电压。通过一台集中式逆变器将该直流电压转换为交流电压。集中式逆变器功率在30kW到650kW之间，功率器件采用大电流IGBT,系统拓扑结构采用DC7AC—级三相全桥逆变电路。链式逆变器是基于模块化概念，每个光伏电池板组串(1.5kW)对应一台逆变器，在交流侧多个链式逆变器经过并联后并网。普通太阳能光伏逆变系统通常将光伏电池板先分组串联，再将不同的串联电池组并联起来形成电池阵列。当有局部阴影或碎碌等遮蔽光伏电池组串时，光伏电池板日照不均以及特性不均等将导致光伏逆变系统输出功率下降的情况，光伏逆变系统的整体输出功率就会大幅降低。具体来说，当有10%的光伏电池板面积被遮盖，光伏逆变系统的总发电量便会下跌50%左右。假如串联中的任何电池板发生故障，将会导致整个电池组失效。为了最大限度地利用电池板的电能，近几年TI公司提出了 “微型逆变器”的概念。微型逆变器的直流电源转换是从一个单一的太阳能模块直接转换为交流电，各个太阳能电池模块配备逆变器及转换器功能，每块组件可单独进行电能的转换，所以这被称之为“微型逆变器”。这种独立的电能转换结构避免了光伏电池板串联，将每个电池板与各自专用的逆变器连接在一起。微型逆变器的功率等级为150~300W。

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1.2 微型光伏逆变器的研究热点
微型光伏逆变器用于将单个光伏电池板的直流电能转换为交流电后并入电网或提供给独立负载，功率范围集中在150W至300W之间。显然，针对每块电池板进行最大效率跟踪和电流控制，能最大限度地利用电池板的电能，避免功率失配。近年来，微型光伏逆变器得到了极大地发展和推广，国内外厂商和学者纷纷开发高性能的微型逆变器。美国Enphase Energy和德国SMA公司是全球最早推出微型逆变器的厂商；英国剑桥大学推出的EnecsysSMI系列微型光伏逆变器，其标称使用寿命超过25年并通过了 IEC61215寿命测试认证；国内光伏发电产业受国外微型光伏逆变器发展的推动和刺激，也开始大力投入到微型光伏逆变器的研发。英伟力新能源科技有限公司引进微型逆变器的核心技术研发了微型光伏逆变系统。浙江星能光伏科技集成有限公司推出了最大效率94%的微型光伏逆变器产品YC200,如图1.6(a)所示。该系列产品已推广应用，并建立了多个光伏示范应用项目如图1.6(b)所示。
微型光伏逆变器拓扑可分为三类：第一类是单级式拓扑结构，如图1.7(a)所示。第二类是准单级式拓扑结构，如图1.7(b)所示，利用一个准IK弦波PWM方法來控制DC7DC转换器在中间直流环节产生经整流的正弦电流(或电压)。而后，经过工频控制的逆变器产生与电网同步的正弦电流(电压)。第三类是包括DC/DC变换器和逆变器的两级拓扑结构，如图1.7(c)所示。前级DC/DC变换器产生稳定的中间直流电压，后级采用卑相全桥电路将直流电压逆变为交流电压实现单位功率因数并网发电。
为提高功率密度、减小变压器体积，需要提高开关频率，由此导致开关损耗增大，变换效率降低。同时，由于光伏组件输出的电压较低，而电网电压的峰值较高，因此变压器的变比较大。变压器漏感不仅导致变换效率降低，同时会引起开关管关断电压尖峰过高，严重时击穿开关管，因此变压器不易高效率地传输能量[67，68]。文献[69]针对如何提高微型逆变器的效率提出r变开关频率软开关控制策略，实现了开关管的零电压开通；文献[70，71]多路交错方案提高电路的等效开关频率，减小变压器磁芯体积等方法提高变换器的效率。

随着GaN HEMT器件在电力电子行业的应用，GaN HEMT的研究已经从分析其物理结构、材料特性、器件制备方法及制作工艺发展到对器件应用特性的应用研究。国内外器件制造商通过实验测试给出了器件的基本特性参数，但仍有很多特性曲线在数据手册中未给出，已有的数据在GaN器应用过程中还远远不够。为了更好的发挥GaN器件的优势，国内外学者对GaN器件的极限参数、电特性参数、热特性参数进行了分析测试，例如，国外学者通过双脉冲测试电路对GaN HEMT的通态阻抗随漏极-源极电压的变化特性及通态阻抗随温度变化的特性曲线进行了测试。尽管如此，GaN器件应用特性研究仍不尽完善，目前高压Cascode GaN HEMT的第三象限工作情况的分析及工作特性研究在文献和器件产品手册中均没有研究和说明。Cascode GaN HEMT的第三象限工作情况既不同于Si MOSFET也不同于增强型GaN HEMT。Cascode GaN HEMT器件的稳态工作特性及其应用是目前需要进一步研究的重要领域。

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2 GaN HEMT器件结构及其应用特性研究

氮化镓(GaN)是一种化合物半导体，它具有高电子迁移率特性。因此，用它制成的晶体管成为氮化镓高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, GaNHEMT),简称GaN HEMT。与Si MOSFET类似，根据导电方式的不同GaN HEMT也有两种导通形式，一种是增强型GaN HEMT，另一种是耗尽型GaN HEMT[n9]。众所周知，增强型器件是常开(断)型器件，易于推广应用。由于制造工艺的限制，目前达到应用水平的单体增强型GaN HEMT的额定电压最大为200V。耗尽型器件是常导(通)型器件，使用时需要负压关断，在使用中容易出现直通短路的故障。故应用中通常是将耗尽型GaN HEMT与低压增强型Si MOSFET结合成共源共栅(Cascode)增强型复合结构，称为Cascode GaN HEMT。共源共栅结构(cascode)可以看成共源极电路和共栅极电路的串连，即源放大器Ml的输出极（漏极）叠加一个开关管M2，其中M2的源极接在Ml的漏极，而M2的栅极接Ml的漏极。CascodeGaN HEMT市场产品目前电压等级为600V。低压增强型GaN HEMT和高压Cascode GaN HEMT的电路表示符号如图2.1所示。

本章将研究可以应用于微型光伏逆变器的低压增强型GaN HEMT和高压Cascode GaN HEMT。在简述其工作原理的基础上，对GaN HEMT器件的应用特性包括其输入特性(驱动特性)和输出特性进行研究，进而完善低压增强型GaNHEMT和高压Cascode GaN HEMT的输出伏安特性。本章将归纳低压增强型GaNHEMT和高压Cascode GaN HEMT的工作模态及其条件，给出GaN HEMT反向导通过程降低损耗的控制方法。

2.1增强型GaN HEMT器件结构及其工作原理
2.1.1 增强型GaN HEMT的基本结构
N沟道增强型Si MOSFET的剖面结构，如图2.2 (b)所示。从GaN HEMT与N沟道增强型Si MOSFET的结构剖面图对比可以看出，GaN HEMT器件中不存在N沟道增强型Si MOSFET栅极与源极之间的P型寄生双极区域。GaN HEMT不是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制來改变漏极、源极之间的导电沟道的宽度，进而来改变漏-源极之间的等效电阻和电流的大小。GaN HEMT中不存在SiMOSFET的寄生二极管。GaN HEMT的工作原理与Si MOSFET等半导体器件的工作原理存在本质区别。GaN HEMT中包含一个由宽带隙材料(AlGaN)和窄带隙材料(GaN)构成的异质结。该异质结的特殊物理特性是GaN HEMT器件形成的关键，它决定了 GaN HEMT的工作机理和器件的基本特性。

增强型GaN HEMT器件为电压控制型器件，是通过栅极控制AlGaN半导体材料的势垒能级来改变AlGaN/GaN异质结中2DEG的浓度，进而控制GaN HEMT器件的导通和关断。因此，栅-源极正电压或栅-漏极正电压都可以改变2DEG的浓度，控制器件的开通和关断。当栅极-源极或栅极漏极之间不施加电压时，栅极电压的调制作用只在栅极正下方起明显作用，对于源极-栅极和漏极-栅极之间的载流子影响甚弱。由于栅极下的AlGaN半导体极化效应很低，游离出的电子全部被栅极金属耗尽。AlGaN与GaN异质接触面没有2DEG，不存在导电沟道，开关管处于关断状态，如图2.3(a)所示。

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2.2 增强型GaN HEMT的输入(驱动)特性
2.2.1 增强型GaN HEMT驱动要求
制造商提供的GaN HEMT的输出特性曲线只有器件正向导通情况下第一象限的测试结果，并未提供GaN HEMT反向导通时的器件特性。本文以EPC公司增强型GaN HEMT EPC2010为例，对增强型GaN HEMT的输出特性进行测试分析，其全范围输出V-I特性曲线如图2.15所示。图2.16给出了 Si MOSFET的输出特性曲线。从图中可以看出，增强型GaN HEMT与SiMOSFET明显不同。Si MOSFET反向导通时随着沟道压降的增大，器件表现出二极管导通特性，而增强型GaN HEMT的第三象限特性只与沟道阻抗有关。增强型GaN HEMT反向导通中，若不施加Vgs驱动电压，则GaN HEMT的反向导通压降最小为1.4V，随着反向导通电流的增大而逐渐增大。其反向导通压降较同等级的Si MOSFET大，存在反向导通损耗大的问题。
本章首先对增强型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT结构及其工作原理进行了分析，归纳了增强型GaN HEMT和Cascode GaN HEMT的工作模态，探讨了 GaN HEMT不同工作模态出现的条件。文中详细研究了增强型GaNHEMT的输入(驱动)特性和输出特性，，首次给出了不同类别的GaN HEMT的全范围输出伏安特性曲线。文中重点研究了增强型GaN HEMT的反向导通特性，提出了改善增强型GaN HEMT反向导通管压降的方法并在LLC谐振电路中进行了实验验证。

宽禁带GaN HEMT的开关速度快且容易受到电路寄生参数的影响，在工作时会出现各种工作状况：过载、负载短路、桥臂直通、过电压、过热等。这些都会影响器件的正常工作，从而导致装置性能的下降，甚至造成器件损坏。因此，在电路发生异常时，需要保护电路来防止器件损坏，保护设备的正常运行。基于增强型GaN HEMT和Cascode GaN HEMT的器件特性，本章研究了 GaNHEMT的驱动电路布局优化设计方法。针对GaN HEMT双管并联电路给出了设计方案，用于提高电路的容量。此外，本章将研究一种适用于GaN HEMT的过流保护电路。

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3 GaN HEMT驱动布局优化及保护电路设计研究............43
3.1引言..............................................43
3.2增强型GaN HEMT驱动回路设计要素........................43
3.2.1栅极驱动电路的环路电感........................43
4增强型GaN HEMT在光伏系统DC/DC电路的应用研究............63
4.1引言..............................................63
4.2增强型GaN HEMT动态特性........................63
4.2.1增强型GaN HEMT通态阻抗........................64
5 Cascode GaN HEMT在光伏系统逆变电路的应用研究............85
5.1引言..............................................85
5.2考虑寄生参数的Cascode GaN HEMT器件结构............85

5.3单相逆变器中Cascode GaN HEMT动态过程分析............86

5 Cascode GaN HEMT在光伏系统逆变电路的应用研究

5.1引言
寄生电感是开关管的重要参数，对开关管的动态特性有重要影响。CascodeGaN HEMT的特殊结构使得其动态过程较Si MOSFET等单体器件复杂。因此，Cascode GaN HEMT的动态过程分析同样需要引入其寄生参数进行详细分析。本章对Cascode GaN HEMT等效模型进行分析，提出了 Cascode GaN HKMT在微型逆变系统逆变电路中的动态过程分析方法。同时，探讨了寄生参数对GaNHEMT开关过程的影响高压GaN HEMT的寄生参数对开关管的开关过程和开关损耗的影响。
本文两级微型逆变器中前级采用增强型GaN HEMT交错IH反激DC/DC电路，后级采用Cascode GaN HEMT单相逆变电路。前级DC/DC电路采用闭环控制实现MPPT最大功率跟踪。后级逆变电路采用传统双环控制，用于控制入网电流正弦化，并且控制直流母线电恒定。两级微型逆变器控制框图如图5.19所示。
本文搭建了实验平台对GaN HEMT两级微型逆变器进行测试，测试平台示意图，如图5.20所示。其中包括PV模拟直流电源Chronia62150H-600S和交流电源模拟电源Chroma 61705。PV模拟直流电源可模拟光伏电池板的输出特性，其上位机可在线显示逆变器的MPPT状态并给出MPPT跟踪效率。交流电源模拟电源可以模拟电网电压。

本章节对适用于微型光伏逆变系统逆变电路的高压6()0V Cascode GaN HEMT在单相逆变器中的动态过程进行了分析和理论推导。GaN HEMT的等效电路考虑了对开关过程及开关损耗有重要影响的寄生电感寄生电容。理论和仿真实验及实验验证证明了寄生参数的增大将增大Cascode GaN HEMT的漏源电压。CascodeGaN HEMT具有耐高压、开关速度快、开关损耗低、低反向恢复特性等优点，可将其应用于单相逆变器。本章节将TPH3006 Cascode GaN HEMT应用于单相全桥逆变器，与Si MOSFET 1PB60R190C的对比实验可以看出，Cascode GaN HEMT具有明显的效率优势。因此，将Cascode GaN HEMT应用于高压场合变换器，可以提高变换器的效率。最后给出了基于GaN HEMT两级微型光伏逆变器的实验结果。

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6 结论

GaN宽禁带半导体被认为是发展高温、高频、高功率、抗辖射的第三代功率半导体器件的最优选材料。研究GaN器件的应用特性及电路优化设计，己成为当前国际上半导体器件应用研究最前沿领域之一。本文针对可应用于微型光伏逆变系统的增强型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT器件特性及其应用中的保护电路设计和电路布局设计进行了研究，并提出了相应的设计和优化方法。
1、根据导电方式的不同，氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)可以分为增强型和耗尽型两种。本文首先对增强型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT结构及其工作原理进行了分析，归纳了增强型GaN HEMT和Cascode GaN HEMT的工作模态，探讨了 GaN HEMT不同工作模态出现的条件。文中详细研究了增强型GaN HEMT的输入(驱动)特性和输出特性。鉴于GaN HEMT器件输出特性不同于Si MOSFET且增强型GaN HEMT和Cascode GaN HEMT器件手册关于器件输出特性参数不完善的现状，本文给出了不同类别的GaN HEMT的全范围输出伏安特性曲线。文中重点研究了增强型GaN HEMT的反向导通特性，提出了在增强型GaNHEMT反向导通时，通过施加正向栅-源电压改善增强型GaN HEMT反向导通管压降的方法，并在LLC谐振电路中进行了实验验证。

2、本文分析了影响增强型GaN HEMT驱动电路的因素及驱动回路参数的选取原则，并提出了提高增强型GaN HEMT驱动回路性能的优化设计方法：1)选取驱动隔离性能优异的数字隔离芯片，增强驱动信号的抗扰度。2)增大隔离芯片输入输出侧的绝缘距离，隔离芯片下方无PCB走线及过孔等。3)驱动电路电阻电容等无源器件选取0402或更小封装，以减小驱动回路长度。4)尽量减小驱动芯片与GaN HEMT开关管的距离，减小引线电感。5)采用4层板PCB,增加GaNHEMT源极的覆铜面积，降低驱动回路引线电感，降低驱动回路面积。仿真和实验结果表明，根据优化设计方法优化后驱动电压稳定无振荡过冲现象，可保证电路在开关频率500kHz下稳定工作。

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参考文献（略）

本文编号：43489