基于高压GaN器件的双有源桥设计

高压氮化镓(GaN)与传统硅基器件相比,其禁带宽度更宽,导通电阻及寄生电容更小,因此应用在中小功率场合可有效提高变换器的功率密度和开关频率。根据高压GaN的开关特性,设计了一种能消除米勒效应的高压GaN驱动电路,继而又设计了一款开关频率达200 kHz的高压GaN双有源桥实验平台,并进行了相应的实验验证及效率、温度的分析。     

GaN器件在高频谐振变换器上的应用研究

提高变换器开关频率能有效提高功率密度,但开关及驱动损耗也会相应增加。氮化镓(GaN)器件具有导通电阻低、寄生电容小等特点,更适合高频应用。这里研究增强型GaN高电子迁移率晶体管(eGaN HEMT)在高频Boost谐振变换器中的应用和实现,针对由寄生电感引起的驱动电压振荡,给出可抑制振荡驱动电阻的选取准则。10 MHz谐振变换器样机实验表明,按此准则设计的电路可正常、有效运行。相比于采用Si MOSFET,采用eGaN HEMT后变换器效率有所提高。     

SiC MOSFET开关特性及驱动电路的设计

与硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件的掺杂浓度更高,禁带更宽,在高电压下导通阻抗更小,因此应用于大功率场合可以提高开关频率,减小变换器体积重量。根据SiC MOSFET的开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,采用双脉冲电路对其开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同阻值驱动电阻对SiC MOSFET模块开关时间和开关损耗的影响。     

宽禁带器件应用技术专辑主编评述

近20年来,以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体功率器件具有电气性能和热性能等方面的优势,正在成为硅器件的强力替代品。业界成功研制出SiC MOSFET、GaN HEMT等先进器件,已在能源汽车、轨道交通、能源互联等行业展示出高开关能力和高温能力。基于功率器件设计、封装、实验方法、栅极驱动等方面的最新研究进展,《电源学报》特别推出"宽禁带器件应用技术"专辑,以期推进宽禁带器件前沿技术与应用难点和热点问题的探讨。     

基于GaN器件的高速直流无刷电机驱动器

传统直流无刷电机(BLDCM)驱动器以硅晶体管作为功率器件,工作频率低、开关损耗大,不适用于高速应用场合。宽禁带半导体氮化镓(GaN)晶体管,具有开关速度快、导通电阻小等优势,是高速驱动器的理想选择之一。基于GaN器件,设计了一款20 000 r/min转速的高速BLDCM驱动器。首先介绍了BLDCM驱动的工作原理,然后分析了GaN器件晶体管栅极驱动电阻值的计算过程,选取Si8273作为GaN晶体管GS61008P的驱动芯片,利用霍尔信号配合数字控制器软件得到换相脉冲,以完成高速驱动器的软硬件设计。验结果表明,GaN方案显著减小了驱动器体积,提高了响应速度。     

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。     

绝缘栅GaN基平面功率开关器件技术

绝缘栅氮化镓(GaN)基平面功率开关器件是下一代GaN功率电子技术的最佳选择。在此从Si基GaN金属绝缘体(氧化物)半导体(MIS/MOS)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件面临的界面态和增强型栅产业化制备等方面入手,介绍了绝缘栅GaN基器件表界面态工程,高可靠栅介质及兼容互补MOS(CMOS)工艺的大尺寸Si基GaN器件制造等技术的研究进展,为绝缘栅GaN基平面功率开关器件的产业化应用奠定基础。     

SiC功率器件的开关特性探究

与Si功率器件相比,SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点,显示出广阔的应用前景。本文分析了SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的开关特性,重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验样机,分别采用Si功率器件和SiC功率器件进行测试,对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异,从而为SiC功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。     

基于SiC器件的高频高效率双Buck半桥逆变器

宽禁带器件碳化硅(SiC)半导体耐压高、开关速度快、损耗低,在逆变电源朝着小型化、轻量化和高效率的发展趋势中具有良好的应用前景。对SiC MOSFET性能及双降压式半桥逆变器(DBHBI)的工作原理、参数设计及损耗模型进行了理论分析与实验研究,比较其与Si IGBT逆变器的效率。搭建一台1 kW实验样机进行测试,开关频率100 kHz下最高效率达到96.28%。     

级联结构氮化镓功率器件及其在无线电能传输系统中的应用

为了进一步提升电能转换效率,介绍了一款基于650 V氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility transistor)的共栅共源级联(cascode)结构开关管及其在无线电能传输方面的应用。在GaN HEMT器件设计方面,通过仿真讨论了器件的场板设计对电容和电场的影响。所制造的cascode器件在650 V时漏电约为2μA,在源漏电压400 V时输入电容C_(iss)、输出电容C_(oss)和反向传输电容C_(rss)分别为1 500 pF、32 pF和12 pF,动态导通电阻升高约16%。基于该款cascode器件设计并展示了一款240～320 kHz、满载功率1 kW的无线充电样机,在200～1 000 W负载范围内效率明显高于Si器件,最高效率超过95%。     

应用于X射线测厚技术的高压直流电源的研制

随着开关电源向大功率、高频化方向发展,功率管的开关损耗、噪声也随之相应的增加,这就要求对开关电源传统的电路拓扑结构进行改进。为了减小开关器件的开关损耗,提高开关频率,减小开关电源的体积、质量,从而提高效率,介绍了一种新型移相控制零电压开关PWM变换器,实现软开关,并研制出一台基于移相控制技术和双向倍压整流技术用于X射线测厚仪的高压直流电源样机。经测试该样机输出80 kV/350 W,可以实现开关频率高,开关损耗和电磁干扰小,电源效率高等要求。     

基于低压器件的高效高功率密度串联谐振DC-DC变换器

工作于MHz的串联谐振变换器SRC(series resonant converter)由于简单的结构与全负载范围的原边开关管软开关,可以实现较高的效率与功率密度,适合隔离型DC-DC变换器高频、模块化的发展趋势,因此越来越受工业界与学术界的关注.业界基于高压Si MOSFET的DC-DC模块大多工作在数百kHz,其效...     

基于GaN器件的模块化多电平包络跟踪电源

包络消除与恢复（EER）技术是一种提高变包络幅值调制的射频功放效率的有效手段,其核心装置是高跟踪精度、高带宽、高效率的包络跟踪电源。为提高其带宽、效率和跟踪精度,提出了一种结构模块化的多电平包络跟踪电源电路,首先由两个半桥单元层叠构成一个三电平子模块并由一路独立直流电源供电,再将多个三电平子模块的输出串联后采用载波移相PWM进行调制,从而可得到多电平的输出电压。由于通过增加输出电压电平数提高了等效开关频率,并减小了阶梯电压,因此可有效提高带宽和跟踪精度。针对每个三电平子模块内部两个直流电容的电压不平衡问题,提出了一种微调PWM信号占空比的平衡控制方法。采用氮化镓（GaN）器件搭建了一台最大功率500W、开关频率1MHz、带宽400kHz的五电平包络跟踪电源样机,实验结果验证了该电路拓扑及控制方法的有效性和可行性。     

高功率因数的大功率开关电镀电源研究

介绍一种大功率开关电镀电源的设计方案.为解决电镀电源中出现的电流严重畸变问题,采用三相PWM高功率因数整流方案,采用TMS320LF2812实现逆变器的FB-ZVSPWM控制方式,功率输出采用变压器功率合成及倍频整流模式,降低了开关损耗,有效提高了开关频率和输出效率.采用Mathb对其进行了仿真.仿真分析和实验结果验证了设计方案的可行性,证明了设计的电源具有谐波污染小,功率因数高,转换效率高等优点.     

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。     

GaN超高频谐振反激变换器

同等电压应力下的GaN器件相比Si器件具有更低的导通电阻（On-resistance, Rds(on)）及门极充电电荷（Qg）,能够大幅降低驱动和开关损耗,有利于提高变换器效率及功率密度。在低压小功率场合的超高频（Very High Frequency, VHF）谐振反激变换器中,本文提出了一种集成空芯变压器,大幅减小了印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）面积,提高了功率密度。同时通过有限元分析（FEA）设计样机结构,确保变压器磁场不会影响其他器件。应用该方案搭建了三台5 V输入、 5 V/ 2 W输出的超高频谐振反激变换器,分别为20-MHz Si方案、30-MHz GaN方案和50-MHz GaN方案。其中,50-MHz GaN方案样机实现了39.4 W/in3的功率密度,相比20-MHz Si方案提升41%。同时,在效率接近的前提下,三台变换器的高度都仅有商用产品的一半。     

Advanced Power Module Packaging and Integration Structures for High Frequency Power Conversion:From Silicon to GaN

The emerging of commercial high-voltage gallium nitride(GaN) power devices provides extraordinary switching performance over silicone devices, which enables high-voltage power conversion switching at megahertz range.Such outstanding features also pose strong challenges for device packaging design since the package parasitics can significantly influence the device switching characteristics, and thus can shadow the advantages brought by GaN devices. Designers have been dealing with these challenges brought by high du/dt and high-frequency switching operation even since the silicon(Si) era when fast switching Si MOSFET is first developed and came up with lots of inspiring advanced power module packaging structures to mitigate the problems.This paper presents a review of advanced power module packaging and integration structures that are suitable for high frequency power conversion.The review covers the heritage from the high frequency Si MOSFET packaging to the state-of-the-art for GaN devices.     

轨道交通牵引四象限变流器三电平SiC/Si混合型拓扑损耗分析

三电平SiC/Si混合型拓扑能满足低功率损耗的需求,其成本又低于全SiC拓扑,已逐渐应用于各类电力电子装置.由于轨道交通牵引四象限变流器应用场合的开关频率不高,而功率较大,不同的三电平SiC/Si混合型拓扑在损耗和效率上的优劣有待进一步评估.为此,提出一种T型中点箝位三电平SiC/Si混合型拓扑(TNPC-H2),在建...     

GaN基功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

GaN基功率电子器件因其具有开关速度快、开关频率高、工作结温高、通态电阻小、开关损耗低等优势,适合应用于新型高效、大功率等的电力电子系统。国内关于GaN基功率电子器件的研究已经取得了较为明显的进展,但与发达国家相比仍有一定的差距。为此,《电源学报》特别推出了"GaN基功率电子器件及其应用"专辑,基本涵盖GaN功率电子器件及其应用研究的热点问题,展示了不同研究机构和企业在该领域的研发现状,具有良好的学术研究和应用参考价值。     

基于碳化硅器件的无线充电系统电源设计

碳化硅(SiC)器件耐高频高温、散热性能好、导通电阻小,应用于无线充电系统可有效提高无线充电系统的效率。文中首先对比了SiC材料与Si材料的特性,在此基础上研制了一套基于SiC器件的无线充电系统电源装置。该装置由整流模块和逆变模块构成,输入端接市电,且装置的整流模块具有功率因数校正功能。文中详细给出了整流模块的整流桥选型策略、滤波电路参数设计方法、Boost电路功率器件和无源元件设计原则及开关管控制电路设计方法,还给出了逆变模块的开关管选型策略、开关管驱动电路和开关管保护电路的设计方法。最后,实验结果验证了方案的有效性和可行性,输入侧实现了高功率因数,逆变电路开关管电压振荡得到抑制,实验样机的效率峰值可达98.2%。