GaN器件应用基础技术研究

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作为电力电子变换器核心之一的功率半导体器件,其每次更新都会使变换器性能得到提升。第三代宽禁带半导体器件以GaN为代表,与Si器件相比更适合工作于高频、高温、高效率环境中,可以极大的减小变换器中磁性元件尺寸,提高功率密度。但GaN器件开关速度高,对寄生参数敏感,在应用时极易产生振荡和超调现象而损坏。因此,对GaN器件及其应用方法进行研究分析,是充分发挥GaN器件性能亟待解决问题,且具有较大意义。本文主要对高压GaN器件的应用方法进行研究。本论文首先在双脉冲测试电路上分析了含有寄生参数的驱动回路,得出驱动回路的LCR微分方程和对应的传递函数,给出了最佳驱动状态-微欠阻尼响应下驱动电路的各项指标与RLC的关系。文中给出了计算PCB布线电感量方法,进行了驱动寄生参数对VGS影响的仿真,设计出了合适的驱动电路,给出了电路布局优化的方法,并通过实验对比验证了此方法的有效性。实际工程状态下,GaN器件开关特性测试困难,本文对比了不同带宽的电压测试设备和常用电流测试方法的测试效果,总结出了GaN器件测试的基本设备要求和测量方法,并通过实验比较给出了合适测试点选取的方法。在含有寄生参数的双脉冲测试电路中,通过仿真分析了寄生电感和电容对GaN开关性能的影响。利用Ansys Q3D Extractor软件提取了实际电路中的寄生参数,在LTspice中搭建包含寄生参数的仿真电路,仿真结果与实验波形基本一致。在此基础上,结合PCB走线电感量计算方法,总结出GaN器件电路布局的主要注意事项,给实际的变换器设计提供了预测、优化和布局的参考依据。最后,将GaN器件应用在Boost型PFC电源中,分析设计了主电路和控制电路,搭建了PFC实验样机。样机实现了PFC功能,工作性能良好测得整机效率达到了97.5%。计算了样机的损耗组成,分析了样机的热分布,进行了温度测试,分析结果与实验基本吻合。在实际调试过程中,解决了电路中GaN器件上电压振荡问题,验证了测试方法和布局优化的有效性。
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