Cascode GaN高电子迁移率晶体管高频驱动电路及损耗分析

为了减小氮化镓驱动电路高频工作时的损耗,针对共栅共源氮化镓高电子迁移率晶体管(Cascode GaN HEMT)提出一种高频谐振驱动电路,采用储能元件替代传统驱动电路中的耗能元件,电感电流为GaN器件栅极电容充/放电,有源密勒钳位电路抑制桥臂串扰.该文重点研究高频谐振驱动电路的工作模态,对电路损耗进行详细分析,给出电感取值的选取原则,并利用PSIM软件对电路进行仿真.最终搭建实验平台对电路的性能进行测试.结果表明,电感为电容充/放电提供低阻抗通路,能有效减小GaN器件驱动电路的电压振荡,明显降低驱动电路的损耗.仿真和实验同时证明了所提出的电路具有较好的性能.     

一种适用于GaN器件的谐振驱动电路

针对氮化镓(GaN)器件,传统的驱动电路是电压源型驱动,在高频下充放电回路中的寄生电感会引起栅源电压振荡,超过GaN器件的栅源耐压值,损坏GaN器件。采用谐振驱动(RGD)电路是解决上述传统驱动存在的问题的有效途径之一,利用LC谐振,在GaN器件开通和关断时提供一条低阻抗箝位路径,减小栅源电压的振荡,提供一个稳定的栅源电压。详细分析了RGD电路的工作原理,同时设计制作了1 MHz的Boost变换器原理样机,并给出了实验结果。     

抑制GaN变换器振铃的高频驱动电路设计

针对氮化镓(GaN)功率器件在高频应用中因寄生参数带来的输出电压振铃问题,这里研究了驱动电路寄生参数和栅极驱动阻抗匹配影响GaN变换器振荡的机理。从驱动电路优化设计出发,提出了抑制开关器件电压振铃的解决办法。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。     

基于PSpice的单相功率因数校正电路的行为建模与仿真

介绍了带输入前馈的平均电流模式控制单相功率因数校正(PFC)变换器的工作原理。利用PSpice模拟行为建模功能和Boost主电路开关电感模型相结合,建立了平均电流模式控制单相PFC电路的仿真模型。通过对开关器件的等效平均,简化了PFC电路的分析与建模,大大缩短了仿真时间。利用仿真模型,可以分析电路的频域及时域特性。最后,利用UC3854芯片搭建了试验电路。试验结果证明了建模方法的正确性。     

新型无源软开关BoostPFC电路研究

提出一种无源软开关Boost PFC电路及其实现方法.其电路拓扑结构由传统的Boost PFC和无开关损耗的缓冲电路构成.缓冲电路通过谐振电感、电容和两个隔离二极管使Boost主开关器件工作在ZVS和ZCS软开关模式.介绍了新型无源软开关PFC的运行原理;给出了缓冲电路的参数选取,并运用PSPICE进行了电路运行的仿真分析;搭建了一台500W/25 kHz实验电源验证了电路的正确性.仿真和实验结果表明,新型PFC电路工作在软开关模式,可实现单位PFC.且平均输出效率提高了约4%.     

针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路

近年来,氮化镓(GaN)器件凭借其开关速度快、导通电阻小等优点被广泛应用于电力电子变换器中,与此同时,谐振栅极驱动电路也受到广泛的关注,特别是在高开关频率、小功率的应用场合中,用以降低驱动电路的损耗.然而,与硅器件不同的是,GaN器件的开通阈值电压相对较低,且没有体二极管,反向导通压降较大,因此传统的谐振栅极驱动电路不适使用GaN器件.该文针对高频应用场合中寄生参数易引起驱动信号振荡的问题,结合GaN器件特点,提出一种非对称电压的谐振栅极驱动电路.此外,对于需要两个同步开关的应用场合,如开关电感变换器等,采用具有两个二次侧的变压器实现两路隔离同相驱动信号的输出.该文介绍了谐振栅极驱动电路的工作原理,并以效率最优的原则设计电路参数,设计一台开关频率为1MHz的驱动电路样机,并进行实验验证,实验结果与理论分析结果吻合较好.     

基于GaN的并联反激均衡器的设计分析

分析寄生电感与结温对GaN并联电路的性能影响。首先理论分析寄生电感与结温的影响情况,得出这些因素与电路损耗的关系式;并且结合仿真,测试出该变换器的电压电流图像。基于并联反激均衡器理论分析与仿真电路的结果进行研究分析,得出了电路PCB的布局方案和电路的控制策略,能够更好地解决电路的延迟、振荡和不均衡的现象。最后通过设计出来的样机,与Si的电路和不同负载情况,对比分析电路的稳定性能与均衡性能,验证所得到的布局方法与控制策略能够降低寄生电感与结温对于电路的影响情况。     

分布式组合Buck LED驱动电路及其定纹波控制策略

为了解决传统滞环电流控制存在负载调整能力差、输出电流范围窄等问题，基于三路组合DC-DC Buck驱动电路，提出一种定纹波控制策略，并结合第三代半导体GaN开关器件，提高变换器功率密度和效率。分析了三路组合Buck驱动电路的工作特性及其定纹波控制策略，对驱动电路工作于连续导通模式(CCM)和断续导通模式(DCM)进行统一数学建模，推导小信号模型和相应控制方程，进行电路关键参数设计。最后，搭建一台1.8 kW分布式三路组合Buck实验样机与一台采用GaN开关器件的单路Buck驱动器。仿真和实验结果表明，输出功率600 W时，样机最高效率可达99.54%;电路能自适应调节开关管导通和关断时间，提高系统的动态性能；电路工作在CCM和DCM两种模式，实现了10%～100%宽范围调光和电感电流定纹波控制；通过直接控制电感电流平均值，提高恒流调光精度，恒流调光精度小于1%。     

一种适用于常开型功率器件的新型谐振门极驱动电路设计

提出了一种适用于常开型功率器件的谐振门极驱动电路,它利用辅助电感Lr来回收门极储存的能量,减小门极驱动损耗.同时利用辅助电容Cr来产生负压,使得常开型功率器件可靠关闭.详细介绍了所提出的谐振门极驱动电路的工作原理,分析了各个模态下电路的主要波形.最后搭建了谐振门极驱动电路的仿真模型和实验平台,通过仿真和实验验证了所提出的谐振门极驱动电路的可行性.     

RC缓冲电路对GaN E-HEMTs开关电压振荡影响分析

相对于传统硅(Si)器件,氮化镓(GaN)功率器件有着更优越的性能,包括更高的开关频率和功率密度及更低的开关损耗等特点。由于高速的开关特性,器件的寄生电容与线路中的寄生电感会发生谐振,从而导致器件两端电压发生过冲和振荡的现象。此处利用一种双脉冲测试电路,对GaN器件的开关过程进行建模分析,设计合理的缓冲电路有效抑制电压过冲和振荡的问题。最后利用GS66504B GaN E-高电子迁移晶体管(HEMTs)评估板,对缓冲电路设计参数进行实验研究并修正,实验结果验证了缓冲电路方案的有效性。     

基于图腾柱无桥PFC的软开关控制变换研究

随着数据中心所需能量的日益增长,对于变换器高性能指标的追求十分迫切。文中设计了基于图腾柱结构实现高效高功率密度的软开关功率因数校正(PFC)电路,采用无桥PFC拓扑结合第三代宽禁带氮化镓器件,通过全数字控制方法实现电路在电流临界和准方波2种状态下切换工作,保证变换器在具备PFC功能的同时实现开关管零电压开关(ZVS)。首先介绍了图腾柱无桥PFC基本电路结构,通过分析电路暂态过程得出实现软开关特性的条件;然后根据全数字双闭环控制方法实现系统PFC功能,结合数学仿真模拟不同状态下图腾柱PFC输出特性;最终搭建了1台输入有效值220 V,输出48 V/400 W的AC/DC变换器。结果表明,系统在实现PFC功能的同时,可在全输入电压范围内保持ZVS特性,验证了电路设计及控制策略的可行性。     

混合有源滤波在直流磁铁电源整流装置中的应用

针对直流磁铁电源的并联12脉波整流电路进行分析,而12脉波整流装置产生的主要特征谐波由无源滤波器滤除,有源部分使用注入式电路,以抑制无源支路和电网等效电感产生的谐振现象并可以显著降低有源装置的容量。而针对瞬时无功功率理论的不足,谐波电流检测采取了实时性更好的单位功率因数法(UPF)。最后对整个整流装置和串联谐振注入式混合有源滤波装置进行了simulink仿真,仿真结果表明了该磁铁电源的综合补偿系统的可行性和有效性。     

单相Boost功率因数校正器的优化设计

介绍了传统单相功率因数校正器的原理,分析了其主电路在应用中因二极管反向恢复产生的电流冲击与纹波噪声等问题,提出了一种带中心抽头电感的斩波升压功率因数校正电路。针对由UC3854控制的功率因数校正(PFC)电路中存在的尖端失真、输出电压飘升等问题,给出了相应的解决方案。同时,还设计了UC3854的引脚保护电路和电流放大器的箝位电路。仿真与试验结果表明,优化后的Boost功率因数校正器性能可靠,功率因数可达0.99,而且可与当今通用的PFC控制电路兼容。     

基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器的设计与仿真

介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC变换器作为高功率转换系统的主要电路。DC/DC变换器使用基于氮化镓(GaN)的功率开关器件。对10 kWGaN大功率DC/DC变换器的拓扑结构进行了优化、参数化和分析,并通过仿真和实验验证了其有效性。它由使用新型的GaN晶体管组成的两个单相全桥电路、两个输入/输出电感和一个高频变压器组成。变压器在实现两个全桥变换器之间的电气隔离方面起着至关重要的作用。使用MATLAB仿真软件对10 kW的变换器进行了建模。MATLAB仿真结果验证了变换器的性能适合于高功率应用并能实现轻负载条件下的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。然后,设计了一个10 kW的实验原型,以验证所设计拓扑的有效性。     

基于GaN器件的固态射频电源应用研究

随着电力电子技术的发展,射频电源由电子管电源发展成现在的晶体管射频电源。氮化镓GaN(gallium nitride)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有宽禁带、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速度以及高导通的AlGaN/GaN异质结二维电子气2DEG(two-dimensional electrons gas)等优点。GaN功率器件与硅(Si)功率器件相比,具有导通阻抗低,输入、输出电容小等特性,这些特性使得GaN功率器件高开关速度、低损耗。在E类功率射频电源的基础上,采用GaN功率器件设计制作了一款开关频率为4 MHz、功率可调的全固态射频电源实验样机。通过电路的设计和优化,样机的输出功率为21.4 W时,效率达到了96.7%;同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,实验数据验证了GaN器件开关速度快、损耗低,可大幅度提高射频电源的效率。     

应用于LLC谐振变换器的GaN器件及其驱动电路设计

随着新一代宽禁带器件的出现,应用于LLC谐振变换器上的功率半导体器件的总体性能有了进一步的提高。本文以氮化镓晶体管为研究对象,首先对氮化镓材料进行了介绍,接着分析了氮化镓晶体管的分类和特性,然后详细分析了驱动电路的设计,阐述了高频下驱动回路电感对驱动信号的影响,并通过合理的驱动回路布线,减小了驱动回路的线路电感,增加了电路的可靠性。最后设计了一台试验样机验证了该驱动电路设计方案的可行性。     

GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件因其出色的导通与开关特性,能够实现系统高频化与小型化,有效提升系统功率密度。但是,增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题,使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此,提出一种预驱动芯片,通过片内集成LDO与电平移位结构,实现兼容12～15 V输入,并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制,达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外,通过多芯片合封技术,将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成,降低了寄生电感,使其应用可靠性进一步提升。     

基于桥式电路的氮化镓开关损耗测试

与传统硅基器件相比,氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件具有更快的开关速度,更小的开关损耗并且无反向恢复损耗,这使得氮化镓器件在高频和高功率密度应用场合具有突出优势。高频工况下高精度测试方法是目前研究的热点,其中双脉冲测试DPT(double pulse test)电路是器件动态性能测量的常用方法。然而,该方法必须采用漏极电流探头进行采样,而同轴分流器电流探头极大地增加了回路寄生电感,这与氮化镓实际工况差距非常大,将影响开关特性和损耗测试的准确性。提出了一种适用于桥式氮化镓电路的新颖测试方法,该方法无需采用无感电阻即可测量氮化镓器件的开关损耗。搭建了基于氮化镓的降压变换器进行实验,验证了该方法的有效性。