團(tuán)隊(duì)介紹

• 高珊珊，博士研究生，主要研究方向?yàn)楦哳l功率變換器、高電壓增益變換器。曾參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，以第一作者發(fā)表SCI、EI論文12篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。
• 王懿杰，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，1982年出生于黑龍江省，主要研究方向包括照明電子、無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)、高頻以及超高頻功率變換技術(shù)。共發(fā)表SCI/EI檢索文章150余篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利16項(xiàng)，受理25項(xiàng)。

研究背景

近年來(lái)，伴隨著以氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件的不斷成熟，高頻、高功率密度成為電力電子變換器的主要發(fā)展方向。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路在高頻應(yīng)用場(chǎng)合下存在損耗較大、驅(qū)動(dòng)速度有限的問(wèn)題，因此在高頻應(yīng)用場(chǎng)合多采用諧振式驅(qū)動(dòng)電路。然而，與硅器件不同，GaN器件的開(kāi)通閾值電壓相對(duì)較低，易受到電路中震蕩的影響；且沒(méi)有體二極管，反向?qū)▔航递^大，因此傳統(tǒng)的諧振柵極驅(qū)動(dòng)電路不適用于GaN器件。

論文所解決的問(wèn)題及意義

本文針對(duì)高頻應(yīng)用場(chǎng)合中寄生參數(shù)易引起驅(qū)動(dòng)信號(hào)震蕩的問(wèn)題，結(jié)合GaN器件特點(diǎn)，提出了一種基于電壓移位電路的非對(duì)稱(chēng)諧振柵極驅(qū)動(dòng)，可靈活調(diào)節(jié)開(kāi)通和關(guān)斷電壓，提升了驅(qū)動(dòng)方案的可靠性及效率。此外，對(duì)于需要兩個(gè)同步開(kāi)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合，如開(kāi)關(guān)電感變換器等，采用具有兩個(gè)副邊的變壓器實(shí)現(xiàn)兩路隔離同相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文提出的基于電壓移位電路的非對(duì)稱(chēng)諧振柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。其中變壓器有兩個(gè)副邊，原副邊匝比為1:1:1，可實(shí)現(xiàn)原副邊的隔離以及兩路同步信號(hào)的輸出。

相比于傳統(tǒng)方案，減少了一組全橋電路，電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單同時(shí)損耗也相應(yīng)減小。通過(guò)變壓器副邊的漏感Lr與開(kāi)關(guān)管的寄生電容諧振，取消了抑制振蕩的柵極電阻，可提升開(kāi)關(guān)速度并且降低損耗。同時(shí)增加電平移位電路調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓偏置，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R1、R2大小，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)器件的要求。

圖中諧振電感大小直接決定著驅(qū)動(dòng)電路的充電電流和開(kāi)關(guān)速度，同時(shí)影響諧振網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)和S1-S4的軟開(kāi)關(guān)情況，從而影響驅(qū)動(dòng)電路的效率。因此，在滿(mǎn)足諧振條件的情況下，諧振電感的選擇應(yīng)綜合考慮開(kāi)關(guān)速度、系統(tǒng)損耗及防止開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作的問(wèn)題。

圖1 基于變壓器的諧振柵極驅(qū)動(dòng)電路

結(jié)論

本文針對(duì)GaN器件提出了一種具有非對(duì)稱(chēng)電壓和兩個(gè)同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)的諧振柵極驅(qū)動(dòng)電路。本文在傳統(tǒng)的諧振驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，增加負(fù)電壓以確保可靠關(guān)斷，并基于電壓移位電路產(chǎn)生較小的關(guān)斷電壓以降低損耗。此外，采用具有兩組副邊的變壓器來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可應(yīng)用于如開(kāi)關(guān)電感變換器等應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)優(yōu)化諧振電感參數(shù)，在1MHz開(kāi)關(guān)頻率下，所提出的諧振驅(qū)動(dòng)電路損耗相比于基于驅(qū)動(dòng)芯片的硬驅(qū)動(dòng)電路效率可大幅提升。

引用本文

高珊珊，王懿杰，劉怡寧，徐殿國(guó). 針對(duì)GaN器件的非對(duì)稱(chēng)雙路同步諧振柵極驅(qū)動(dòng)電路[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(20): 4185-4193. Gao Shanshan, Wang Yijie, Liu Yining, Xu Dianguo. Resonant Gate Driver with Asymmetrical Voltage and Two Synchronous Drive Signals for GaN Switches. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(20): 4185-4193.