GaN HEMT器件在高频PFC功率变换器中应用研究

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PFC变换器作为电源系统的前级,提高其功率密度,可以有效提高整个电源系统的功率密度。然而Si-MOSFET的性能已经趋近其理论极限,宽禁带半导体氮化镓(GaN)应运而生,其具有硅材料所不具备的优异性能。结电容小、开关速度快、通态电阻低等优点使得GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)成为高频领域主流的功率半导体器件。但是其驱动电压范围较窄,驱动电路的设计相对困难。针对GaN HEMT器件,当开关频率达到1MHz,采用传统电压源驱动时,驱动回路中的寄生电感会引起栅源电压振荡,超过GaN HEMT器件的栅源耐压值,损坏GaN HEMT器件。采用谐振门极驱动(RGD)电路是解决传统电压源驱动存在问题的有效途径之一,利用LC谐振,在GaN HEMT器件开通和关断时提供一条低阻抗钳位路径,提供稳定的栅源电压。对其进行了原理分析和参数设计,采用DSP28035和CPLD完成RGD驱动逻辑的设计。将谐振驱动电路应用在基于GaN HEMT器件的CCM模式Boost PFC变换器中,开关频率为1MHz。搭建了300W的Boost PFC实验样机,并采用Si-MOSFET作对比实验,获得了相关实验波形和数据。验证了采用的谐振驱动电路能够可靠的驱动GaN HEMT器件。通过对比不同驱动电压下基于GaN HEMT器件的1MHz单相Boost PFC变换器的效率,验证了在保证GaN HEMT器件可靠驱动的前提下,选择合适的驱动电压可以提高效率。通过对比采用Si-MOSFET和GaN HEMT器件样机的效率,验证了GaN HEMT器件应用在高频PFC功率变换器中的高效性。由于传统Boost PFC变换器工作时导通的半导体器件多,导通损耗大;GaN HEMT器件不存在反向恢复,为了进一步提高效率,将GaN HEMT器件应用在图腾柱无桥PFC变换器中,使其工作在CCM模式,开关频率为500kHz。搭建了实验样机,获得了相关实验波形和数据。实测结果表明基于GaN HEMT器件的图腾柱无桥PFC变换器可以稳定运行在CCM模式。
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