面向光伏逆變系統(tǒng)的氮化鎵功率器件應(yīng)用研究.pdf

1、隨著新能源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電力電子器件的性能和可靠性的要求也日益苛刻，以硅材料為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電力電子器件已經(jīng)逐步逼近由材料物理特性決定的理論極限。作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)材料具有許多硅材料所不具備的優(yōu)異性能，是高頻、高壓、高溫和大功率應(yīng)用的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，無(wú)論在民用或是軍事領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著GaN技術(shù)的進(jìn)步，大直徑硅基GaN外延技術(shù)逐步成熟并向商用化方向發(fā)展。2010年以來(lái)，多家國(guó)際著名半

2、導(dǎo)體廠商相繼推出GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，寬禁帶GaN功率器件應(yīng)用的研究成果日益顯著。然而，寬禁帶GaN器件的特性研究和應(yīng)用研究尚處于初步階段，其器件特性尚缺乏深入和系統(tǒng)的分析。
　　本文重點(diǎn)研究了增強(qiáng)型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT在微型光伏逆變系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體如下:
　　首先，本文完善了GaN HEMT的第三象限工作特性曲線，給出了不同類別的GaN HEMT的全范圍輸出伏安特性曲

3、線。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT的工作模態(tài)的理論分析，得出了GaN HEMT不同工作模態(tài)出現(xiàn)的條件，為后文GaN HEMT的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。
　　本文通過(guò)分析GaN HEMT高頻應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)電路影響要素，提出了GaN HEMT的驅(qū)動(dòng)電路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。本文通過(guò)對(duì)增強(qiáng)型GaN HEMT動(dòng)態(tài)器件特性的分析得出了其適合于并聯(lián)應(yīng)用，總結(jié)出了增強(qiáng)型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)

4、設(shè)計(jì)要素及其并聯(lián)應(yīng)用影響因素。在此基礎(chǔ)上給出了增強(qiáng)型GaN HEMT雙管并聯(lián)的PCB電路布局設(shè)計(jì)方法。增強(qiáng)型GaN HEMT并聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了文中對(duì)增強(qiáng)型GaN HEMT電路寄生參數(shù)影響分析的正確性。
　　針對(duì)GaN器件應(yīng)用的可靠性，本文提出了一個(gè)適用于高頻場(chǎng)合的GaN HEMT過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案，該保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè)GaN HEMT的漏-源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其過(guò)流故障的檢測(cè)。該GaN HEMT過(guò)流保護(hù)電路具有保護(hù)延時(shí)短、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

5、、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了GaN HEMT在高頻應(yīng)用下的可靠性。
　　增強(qiáng)型GaN HEMT是目前功率密度最高的寬禁帶器件。本文提出基于增強(qiáng)型GaN HEMT的交錯(cuò)正反激DC/DC電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文中通過(guò)降低耦合電感漏感及優(yōu)化死區(qū)設(shè)置可明顯減小GaN HEMT反向?qū)ㄟ^(guò)程損耗，以實(shí)現(xiàn)高效率、高升壓比及高功率密度的微型逆變器適用的升壓電路。增強(qiáng)型GaN交錯(cuò)正反激DC/DC電路的軟開關(guān)特性，可進(jìn)一步降低增強(qiáng)型GaN HEMT器

6、件應(yīng)力，減小增強(qiáng)型GaN HEMT的開關(guān)損耗，提高變換器的效率。文中給出了電路的設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)分析了基于GaN HEMT交錯(cuò)正反激電路的損耗計(jì)算。此外，GaN肖特基二極管的特性分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，GaN肖特基二極管與SiC肖特基二極管基本無(wú)反向恢復(fù)，較Si快恢復(fù)二極管有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。
　　600V的耐壓等級(jí)使得其適用于微型逆變器的逆變電路。Cascode GaN HEMT的特殊結(jié)構(gòu)使得其動(dòng)態(tài)過(guò)程較Si MOSFET等單體器件更