面向光伏逆变系统的氮化镓功率器件应用研究

【摘要】：随着新能源并网技术的发展,对电力电子器件的性能和可靠性的要求也日益苛刻,以硅材料为基础的传统电力电子器件已经逐步逼近由材料物理特性决定的理论极限。作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)材料具有许多硅材料所不具备的优异性能,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,无论在民用或是军事领域都具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进步,大直径硅基GaN外延技术逐步成熟并向商用化方向发展。2010年以来,多家国际著名半导体厂商相继推出GaN高电子迁移率晶体管(HEMT),宽禁带GaN功率器件应用的研究成果日益显著。然而,宽禁带GaN器件的特性研究和应用研究尚处于初步阶段,其器件特性尚缺乏深入和系统的分析。 本文重点研究了增强型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT在微型光伏逆变系统中的应用优化设计。具体如下： 首先,本文完善了GaN HEMT的第三象限工作特性曲线,给出了不同类别的GaN HEMT的全范围输出伏安特性曲线。通过对增强型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT的工作模态的理论分析,得出了GaN HEMT不同工作模态出现的条件,为后文GaN HEMT的应用研究提供理论依据。 本文通过分析GaN HEMT高频应用中驱动电路影响要素,提出了GaN HEMT的驱动电路布局优化设计方法并通过对比实验验证了该方法的有效性。本文通过对增强型GaN HEMT动态器件特性的分析得出了其适合于并联应用,总结出了增强型GaN HEMT驱动设计要素及其并联应用影响因素。在此基础上给出了增强型GaN HEMT双管并联的PCB电路布局设计方法。增强型GaN HEMT并联实验结果证明了文中对增强型GaN HEMT电路寄生参数影响分析的正确性。 针对GaN器件应用的可靠性,本文提出了一个适用于高频场合的GaN HEMT过流保护电路的设计方案,该保护电路通过检测GaN HEMT的漏-源电压来实现对其过流故障的检测。该GaN HEMT过流保护电路具有保护延时短、电路结构简单、抗干扰性强等优点,大大提高了GaN HEMT在高频应用下的可靠性。 增强型GaN HEMT是目前功率密度最高的宽禁带器件。本文提出基于增强型GaN HEMT的交错正反激DC/DC电路的优化设计方法。文中通过降低耦合电感漏感及优化死区设置可明显减小GaN HEMT反向导通过程损耗,以实现高效率、高升压比及高功率密度的微型逆变器适用的升压电路。增强型GaN交错正反激DC/DC电路的软开关特性,可进一步降低增强型GaN HEMT器件应力,减小增强型GaN HEMT的开关损耗,提高变换器的效率。文中给出了电路的设计方法,并详细分析了基于GaN HEMT交错正反激电路的损耗计算。此外,GaN肖特基二极管的特性分析及实验验证表明,GaN肖特基二极管与SiC肖特基二极管基本无反向恢复,较Si快恢复二极管有明显的效率优势。 600V的耐压等级使得其适用于微型逆变器的逆变电路。Cascode GaN HEMT的特殊结构使得其动态过程较Si MOSFET等单体器件更为复杂,因而,Cascode GaN HEMT的动态过程分析同样需要引入其寄生参数进行详细分析。本文提出了考虑寄生参数的高压Cascode GaN HEMT的动态过程分析方法,GaN HEMT的等效电路考虑了对开关过程及开关损耗有重要影响的寄生电感寄生电容,并探讨了寄生参数对开关管开关过程的影响并进行归纳分析。理论分析实验验证证明了寄生参数对高压GaN HEMT开关过程影响的重要性。 【关键词】：光伏逆变系统 微型逆变器 GaN HEMT 增强型 共源共栅结构 动态特性 器件并联 过流保护
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304;TM615
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-27
• 1.1 光伏逆变系统的发展趋势14-20
• 1.2 微型光伏逆变器的研究热点20-22
• 1.3 氮化镓功率器件在微型逆变器中的研究进展及存在的问题22-25
• 1.3.1 氮化镓功率器件的应用特性23
• 1.3.2 氮化镓功率器件保护电路设计23-24
• 1.3.3 电路寄生参数影响及布局优化设计研究24-25
• 1.4 本文主要研究内容25-27
• 2 GaN HEMT器件结构及其应用特性研究27-55
• 2.1 增强型GaN HEMT器件结构及其工作原理27-32
• 2.1.1 增强型GaN HEMT的基本结构28
• 2.1.2 AlGaN/GaN异质结构中的二维电子气28-29
• 2.1.3 增强型GaN HEMT的工作原理29-30
• 2.1.4 增强型GaN HEMT的关键参数30-31
• 2.1.5 增强型GaN HEMT器件性能31-32
• 2.2 增强型GaN HEMT的输入(驱动)特性32-37
• 2.2.1 增强型GaN HEMT驱动要求33-35
• 2.2.2 增强型GaN HEMT开通、关断速度35-37
• 2.3 增强型GaN HEMT的输出特性37-41
• 2.3.1 增强型GaN HEMT的反向导通机理37-38
• 2.3.2 增强型GaN HEMT的输出特性曲线38-39
• 2.3.3 增强型GaN HEMT的反向导通控制策略39-40
• 2.3.4 增强型GaN HEMT工作模态分析40-41
• 2.4 Cascode GaN HEMT器件结构及其工作原理41-45
• 2.4.1 Cascode GaN HEMT器件结构41-42
• 2.4.2 Cascode GaN HEMT工作原理及模态分析42-45
• 2.5 Cascode GaN HEMT的应用特性45-50
• 2.5.1 Cascode GaN HEMT的输入(驱动)特性45-47
• 2.5.2 Cascode GaN HEMT中Si MOSFET的输出特性47-48
• 2.5.3 Cascode GaN HEMT中高压耗尽型GaN HEMT输出特性48-49
• 2.5.4 Cascode GaN HEMT的输出特性49-50
• 2.6 GaN HEMT仿真与实验验证50-53
• 2.7 本章小结53-55
• 3 GaN HEMT驱动布局优化及保护电路设计研究55-75
• 3.1 引言55
• 3.2 增强型GaN HEMT驱动回路设计要素55-58
• 3.2.1 栅极驱动电路的环路电感55-57
• 3.2.2 栅极驱动电阻的选取57-58
• 3.3 增强型GaN HEMT驱动电路设计优化58-65
• 3.4 增强型GaN HEMT双管并联应用设计65-69
• 3.4.1 增强型GaN HEMT器件特性受温度的影响65-67
• 3.4.2 增强型GaN HEMT双管并联的PCB布局设计67
• 3.4.3 增强型GaN HEMT并联电路实验结果67-69
• 3.5 GaN HEMT过流保护电路设计69-74
• 3.5.1 GaN HEMT过流保护电路电路设计70-72
• 3.5.2 过流保护电路仿真验证72
• 3.5.3 过流保护电路实验验证72-74
• 3.6 本章小结74-75
• 4 增强型GaN HEMT在光伏系统DC/DC电路的应用研究75-97
• 4.1 引言75
• 4.2 增强型GaN HEMT动态特性75-78
• 4.2.1 增强型GaN HEMT通态阻抗76-77
• 4.2.2 增强型GaN HEMT输出电容损耗77
• 4.2.3 增强型GaN HEMT的反向恢复特性77-78
• 4.3 增强型GaN HEMT交错正反激DC/DC电路及工作原理78-81
• 4.4 GaN HEMT交错正反激DC/DC电路优化设计81-85
• 4.4.1 耦合电感漏感控制81-83
• 4.4.2 GaN HEMT死区时间优化控制83-85
• 4.5 增强型GaN HEMT交错正反激DC/DC电路的损耗分析85-89
• 4.5.1 增强型GaN HEMT交错正反激DC/DC电路器件选型85-86
• 4.5.2 增强型GaN/HEMT交错正反激DC/DC电路损耗分析86-89
• 4.6 交错正反激DC/DC电路仿真验证89-91
• 4.6.1 交错正反激DC/DC电路仿真89-90
• 4.6.2 二极管寄生电容参数的影响90-91
• 4.7 交错正反激DC/DC电路实验验证91-95
• 4.7.1 GaN HEMT实验验证91-93
• 4.7.2 GaN二极管实验波形对比93-95
• 4.8 本章小结95-97
• 5 Cascode GaN HEMT在光伏系统逆变电路的应用研究97-125
• 5.1 引言97
• 5.2 考虑寄生参数的Cascode GaN HEMT器件结构97-98
• 5.3 单相逆变器中Cascode GaN HEMT动态过程分析98-111
• 5.3.1 Cascode GaN HEMT正向导通过程分析99-104
• 5.3.2 Cascode GaN HEMT正向关断过程分析104-107
• 5.3.3 Cascode GaN HEMT反向续流导通过程分析107-108
• 5.3.4 Cascode GaN HEMT反向续流关断过程分析108-111
• 5.4 基于Cascode GaN HEMT单相逆变器的损耗分析111-113
• 5.5 影响电压尖峰的寄生参数主要因素113-116
• 5.5.1 Cascode GaN HEMT寄生电感的影响113-114
• 5.5.2 Cascode GaN HEMT器件封装及布局方式114-116
• 5.6 基于Cascode GaN HEMT的单相逆变器仿真及实验验证116-122
• 5.7 基于GaN HEMT两级微型逆变器实验验证122-124
• 5.8 本章小结124-125
• 6 结论125-127
• 参考文献127-137
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果137-141
• 学位论文数据集141

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