【摘要】：增強(qiáng)型GaN(Gallium Nitride)功率器件具有高電子遷移率、高飽和電子速度和高耐壓等優(yōu)勢(shì),適用于高頻、高效和高功率密度的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。盡管GaN器件在電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,但其特殊工作原理和物理特性對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析提出新的要求。為保證高頻開(kāi)關(guān)電源的性能達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì),需要深入研究GaN功率器件。目前針對(duì)增強(qiáng)型GaN器件的開(kāi)關(guān)特性研究多集中于器件層面或脈沖開(kāi)關(guān)條件。本文結(jié)合功率器件與功率半橋拓?fù)?研究增強(qiáng)型GaN功率器件在開(kāi)關(guān)電源中的工作情況,分析器件的高頻開(kāi)關(guān)特性,研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:(1)以GaN功率器件和同步Buck開(kāi)關(guān)電源的理論知識(shí)為基礎(chǔ),深入研究增強(qiáng)型GaN器件的物理特性,完成開(kāi)關(guān)器件、功率電感和驅(qū)動(dòng)電路選型,設(shè)計(jì)基于GaN器件的同步Buck開(kāi)關(guān)電源,并通過(guò)仿真工具LTSpice XVII驗(yàn)證電路功能。(2)基于高頻開(kāi)關(guān)工作條件下的功率半橋拓?fù)?研究GaN器件穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)過(guò)程的電流路徑,著重分析開(kāi)啟瞬態(tài)電學(xué)行為,揭示結(jié)電容放電導(dǎo)致的高損耗、誤開(kāi)啟、可靠性威脅以及系統(tǒng)EMI問(wèn)題等缺點(diǎn)。根據(jù)GaN功率器件物理結(jié)構(gòu)建立小信號(hào)模型,借助能帶結(jié)構(gòu)及電荷分布,創(chuàng)新性地提出緩沖層電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制,揭示密勒平臺(tái)階段中電子通過(guò)緩沖層轉(zhuǎn)移至二維電子氣溝道的現(xiàn)象,闡述電流/電壓出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象的原因,為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。(3)研究開(kāi)啟瞬態(tài)過(guò)程中電路參數(shù)對(duì)GaN器件性能的影響,分析器件高頻開(kāi)關(guān)特性隨系統(tǒng)指標(biāo)的變化規(guī)律,完善并推導(dǎo)由電路參數(shù)和工作條件決定的驅(qū)動(dòng)電流,優(yōu)化增強(qiáng)型GaN器件的專用驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì),提高電源系統(tǒng)安全性和可靠性并抑制EMI問(wèn)題,推動(dòng)電流模式驅(qū)動(dòng)方案的加速發(fā)展。(4)探索在不同電應(yīng)力環(huán)境下陷阱俘獲/釋放電子行為,揭示高頻工作條件下GaN器件導(dǎo)通電阻的動(dòng)態(tài)變化,進(jìn)而分析動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化對(duì)于功率半橋拓?fù)涞男阅苡绊�。最終測(cè)試結(jié)果表明,在高頻工作條件下,GaN器件內(nèi)部陷阱未完全釋放俘獲電子,致使緩沖層存在內(nèi)建負(fù)電位,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化,影響GaN器件硬開(kāi)關(guān)損耗,從而降低了功率半橋拓?fù)湫省?br>【圖文】：

研究背景隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的小型智能化發(fā)展逐漸加速，電源系效、高功率和輕量化設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。功率器件作為電源系統(tǒng)的核心元實(shí)現(xiàn)低耗節(jié)能、高可靠性和低成本電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。當(dāng)前電源系統(tǒng)的模塊仍多采用傳統(tǒng)方案，即硅（Silicon，Si）基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)etal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）作為功率器件導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，硅基功率器件的性能已逐漸接近材料限制邊界[2]。盡管摻雜工藝得到超結(jié)型（Super Junction，SJ）MOSFET 器件可以進(jìn)一步提高M(jìn)OSFET 性能，但材料物理特性使其性能提升十分有限。碳化硅（Siliconrbide，，SiC）、氮化鎵（Gallium Nitride，GaN）等寬帶隙（Wide Band-Gap，W體材料是近二十年興起的新一代半導(dǎo)體材料，具有很多性能優(yōu)勢(shì)。從理論，與 Si 材料的物理特性相比，GaN 材料具有禁帶寬度寬、熔點(diǎn)高、擊穿電子飽和漂移速度快等優(yōu)點(diǎn)，使 GaN 功率器件具有耐高壓、耐高溫和抗性[3-5]。

圖 3-1 驅(qū)動(dòng)芯片 LM5113 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化應(yīng)用示意圖[80]驅(qū)動(dòng)芯片 LM5113 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)功率半橋拓?fù)涞脑韴D如圖 3-1 所主要包括電源軌欠壓鎖定器、電平位移器、鉗位電路、邏輯門(mén)電路、柵器等模塊。芯片共有 10 個(gè)引腳，其中：引腳 1 為 VDD 引腳，是 5V 柵極驅(qū)動(dòng)電源引腳，通過(guò)靠近驅(qū)動(dòng)芯片/ESL 電容局部解耦到 VSS 引腳。引腳 2 為 HB 引腳，是高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)自舉軌引腳，連接自舉電容的正極引腳 3 和引腳 4 為 HOH 引腳和 HOL 引腳，分別是高側(cè)驅(qū)動(dòng)模塊的開(kāi)啟和關(guān)斷輸出引腳，通過(guò)低寄生電感路徑連接半橋拓?fù)渲械母邆?cè) GaN 功率 引腳和 HOL 引腳通過(guò)連接不同的外接?xùn)艠O電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)高側(cè)功率器件和關(guān)斷速度的分別調(diào)控。引腳 5 為 HS 引腳，是高側(cè)器件源端連接引腳，連接自舉電容的負(fù)極端和 功率器件源端，可用于正確輸出浮動(dòng)高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。引腳 6 和引腳 7 為 HI 引腳和 LI 引腳，分別是高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入引腳和
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN86

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 周琦;陳萬(wàn)軍;張波;;硅基GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)[J];電力電子技術(shù);2012年12期

本文編號(hào)：2612670