【摘 要】
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电力电子半导体器件作为电能变换与传输的核心,在新能源发电、电动汽车、电气电子设备电源等领域中具有至关重要的作用。传统硅基MOSFET器件已经逼近物理极限,而宽禁带半导体器件具有高频高效、耐高温、抗辐射等多方面优势。其中氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）借助二维电子气（2DEG）更快的电子饱和漂移速度具有更高的开关频率。GaN HEMT已经在快充电源、激光雷达、消费类电子设备等电源系统中广
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电力电子半导体器件作为电能变换与传输的核心,在新能源发电、电动汽车、电气电子设备电源等领域中具有至关重要的作用。传统硅基MOSFET器件已经逼近物理极限,而宽禁带半导体器件具有高频高效、耐高温、抗辐射等多方面优势。其中氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）借助二维电子气（2DEG）更快的电子饱和漂移速度具有更高的开关频率。GaN HEMT已经在快充电源、激光雷达、消费类电子设备等电源系统中广泛应用。但是GaN HEMT器件结构和驱动要求多种多样,阈值电压低而开关频率高易引入桥臂串扰直通风险、及电压、电流震荡问题,同时开通损耗大、动态导通电阻波动会导致效率下降等问题,因此有待优化驱动设计、完善开关特性测试,利用软开关降低开关损耗。目前,主流商业化高压GaN HEMT从器件结构可分为单体增强型、Cascode型,其中单体增强型又包含肖特基栅型和p GaN欧姆接触栅型。不同于Si、SiC MOSFET及其他GaN HEMT的电压驱动特性,本文主要研究的p GaN欧姆接触栅型GaN HEMT器件结构独特,需电流源驱动,因此以往电压驱动方案不再适用。对此,本论文主要研究内容为:（1）从高压600V/650V GaN HEMT器件结构分析出发,深入阐述GaN HEMT各器件的结构特点与驱动要求,着重分析p GaN欧姆接触栅型GaN HEMT的器件结构、动态导通电阻波动的抑制与电流驱动设计方案的优化。（2）设计了两款GaN HEMT驱动器,然后通过双脉冲实验测试高压GaN HEMT的开关特性和驱动效果,优化了测试平台及PCB布局布线,与650V的SiC MOSFET对比实验,验证了改进后电流驱动GaN HEMT的开通速度更快、开通损耗更小的优势。（3）最终基于SiC MOSFET、GaN HEMT设计了两款准谐振同步整流Buck/Boost变换器,通过增大电感电流脉动,捕捉电感电流过零点实现CRM模式运行,构造ZVS、ZCS软开关,同时大大减小开关瞬间电压、电流震荡。另外借助同步整流降低通态损耗,提高了变换效率达到90%附近。本文通过理论分析与实验验证可知,基于GaN HEMT器件结构的特点,优化设计的电流驱动器能够满足p GaN欧姆接触栅型GaN HEMT的驱动要求,实现纳秒级开关,同时负压关断GaN HEMT能有效抑制桥臂串扰误导通风险,避免半桥直通短路。而从器件的双脉冲测试中可以看出,相比于SiC MOSFET,GaN HEMT开关速度更快,优化PCB布局布线最小化寄生参数,能够减小功率环路震荡。而高频双向同步整流Buck/Boost变换器运行在CRM模式,能够实现ZVS开通、ZCS关断续流管,有效降低了反向导通损耗和开关损耗,高效地将电能变换传输到负载侧。
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