MHz级eGaN HEMT器件驱动研究

作     者：董舟 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张之梁

授予年度：2017年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：甚高频 eGaN HEMT 隔离型E类谐振变换器 同步整流 数字控制 状态空间建模 

摘      要：提高开关频率是提高变换器功率密度的重要途径之一。目前开关频率MHz级的谐振功率变换系统已成为国际上小功率变换技术的研究热点。另外增强型氮化镓(enhancement Gallium Nitride,eGaN)高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)具有极小的性能系数,适合高频工作,但现阶段eGaN HEMT在高频谐振变换器的应用仍存在很多挑战。本文针对MHz频率下,eGaN控制管实现ZVS前的高反向导通压降引起的高反向导通损耗,提出了多电平驱动,利用反向导通机制原理,增加门极中间电平来减小反向导通压降,降低损耗。同时也分析了使用eGaN HEMT时,门极是否需要引入负压偏置的判断依据。所提控制管多电平驱动被应用在7 MHz的隔离E类谐振变换器中,输入电压24 V,输出5 V/10 W情况下,采用二极管整流,效率从使用传统驱动的72.7%提高到73.4%(提高了0.7%)。另外本文还分析了同步整流管驱动设计时,驱动芯片延时引起的反向导通和环流损耗问题,提出了补偿驱动芯片延时的同步整流驱动电路及其设计方法。将所提同步整流驱动电路应用到相同的功率级上,输入电压18 V,输出5 V/10 W下,效率从二极管整流的79.5%提高到84.7%(提高了5.2%),从采用不考虑驱动芯片延时的同步整流驱动电路时的79.9%提高到84.7%(提高了4.8%)。另外针对E类谐振变换器使用时序信号固定的传统驱动方式时,输入电压变化产生的驱动时序不匹配问题,本文提出了一种数字控制自适应驱动方式。首先建立变换器状态空间状态模型,预测不同输入电压下的理想驱动时序。将输入电压与时序关系存储在MCU中,在变换器工作时采样输入电压,并产生相应时序的驱动信号,从而保证不同输入电压下,控制管和同步整流管都能实现零电压开通并尽可能减小反向导通时间。所提驱动方式被应用在开关频率为30MHz、184 V输入、5 V/10 W输出的隔离E类谐振变换器中,在输入电压为18 V时,变换器效率可达80.0%,在输入电压为24 V时,将变换器效率从采用传统驱动方式的72.9%提高到75.1%(提高2.2%),且功率密度为现有产品的4倍。