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增强型GaN(Gallium Nitride)功率器件具有高电子迁移率、高饱和电子速度和高耐压等优势,适用于高频、高效和高功率密度的功率转换系统。尽管GaN器件在电力电子领域具有广泛的应用前景,但其特殊工作原理和物理特性对电源系统设计和分析提出新的要求。为保证高频开关电源的性能达到最优化设计,需要深入研究GaN功率器件。目前针对增强型GaN器件的开关特性研究多集中于器件层面或脉冲开关条件。本文结合功率器件与功率半桥拓扑,研究增强型GaN功率器件在开关电源中的工作情况,分析器件的高频开关特性,研究内容主要包括以下几个方面:(1)以GaN功率器件和同步Buck开关电源的理论知识为基础,深入研究增强型GaN器件的物理特性,完成开关器件、功率电感和驱动电路选型,设计基于GaN器件的同步Buck开关电源,并通过仿真工具LTSpice XVII验证电路功能。(2)基于高频开关工作条件下的功率半桥拓扑,研究GaN器件稳态及瞬态过程的电流路径,着重分析开启瞬态电学行为,揭示结电容放电导致的高损耗、误开启、可靠性威胁以及系统EMI问题等缺点。根据GaN功率器件物理结构建立小信号模型,借助能带结构及电荷分布,创新性地提出缓冲层电荷转移机制,揭示密勒平台阶段中电子通过缓冲层转移至二维电子气沟道的现象,阐述电流/电压出现尖峰现象的原因,为优化驱动电流设计提供理论基础。(3)研究开启瞬态过程中电路参数对GaN器件性能的影响,分析器件高频开关特性随系统指标的变化规律,完善并推导由电路参数和工作条件决定的驱动电流,优化增强型GaN器件的专用驱动方案设计,提高电源系统安全性和可靠性并抑制EMI问题,推动电流模式驱动方案的加速发展。(4)探索在不同电应力环境下陷阱俘获/释放电子行为,揭示高频工作条件下GaN器件导通电阻的动态变化,进而分析动态导通电阻变化对于功率半桥拓扑的性能影响。最终测试结果表明,在高频工作条件下,GaN器件内部陷阱未完全释放俘获电子,致使缓冲层存在内建负电位,导致动态导通电阻退化,影响GaN器件硬开关损耗,从而降低了功率半桥拓扑效率。