[發明專利]適用于增強型氮化鎵器件的半橋電路死區優化設置方法

有效

• 申請號: 202110406715.7
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113131723B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 耿乙文;陳方諾;陳翔;洪冬穎;韓鵬;楊尚鑫;馬立亞;李賀龍
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02M1/00
• 分類號: H02M1/00;H02M3/155
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

本發明公開了一種適用于增強型氮化鎵器件的半橋電路死區優化設置方法，適用于氮化鎵器件的技術領域；首先將基于增強型氮化鎵高電子遷移率晶體管eGaN HEM的半橋電路中續流管關斷、主開關管開通與主開關管關斷、續流管開通的過程劃分為數個階段；確定半橋電路中點到負載中點的電流方向并判斷主開關管和續流管；獲取半橋電路及eGaN HEMT的參數信息；求得開關各個階段的方程組的數值解；通過數值解得到開關過程中每個階段的持續時間；根據開關過程各階段的持續時間計算出續流管關斷、主開關管開通與主開關管關斷、續流管開通過程的最優死區；根據計算出的最優死區，結合電路實際情況進行死區優化設置。實施過程簡便，精確度較高，并且具有廣泛的實用性。

技術領域

本發明涉及一種半橋電路死區優化設置方法，尤其適用于氮化鎵器件的技術領域使用的一種適用于增強型氮化鎵器件的半橋電路死區優化設置方法。

背景技術

第一代半導體器件硅(Si)器件經過幾十年的發展，其性能已經接近材料的極限。隨著對電力電子設備性能要求的提高，新型寬禁帶半導體器件(如碳化硅、氮化鎵等)開始取代硅器件出現在各種電力電子領域的應用中。其中第三代半導體器件——氮化鎵(GaN)功率半導體器件在性能上具有諸多方面的優勢：其擊穿場強較大、溝道導通電阻小、功率密度高、輸入和輸出電容低、開關速度極快。GaN器件的優異特性使得其在高頻、高效電力電子變換器領域擁有很大的優勢，因此GaN器件非常適用于電動機車、航空工業、新能源發電、微網等領域。

半橋電路是電力電子領域的基礎電路，廣泛存在于各種電力電子裝置之中。將GaN器件應用于半橋電路中能夠大幅提升電力電子裝置的性能，但這也帶來了諸多問題與挑戰。

GaN器件具有特殊的第三象限工作特性。eGaN HEMT(enhancement mode GalliumNitride High Electron Mobility Transistor)的導通原理與Si MOSFET不同，只通過溝道中的電子進行導電，沒有少子和P-N結，因此eGaN HEMT的反向續流不是通過體二極管進行的。當滿足下式時，eGaN HEMT可以進行反向續流：v_DS≤-V_th+v_{GS_off}，式中v_th為eGaN HEMT的柵極開通閾值電壓，v_{GS_off}為驅動芯片的驅動負壓，v_DS為器件漏、源極電壓。當eGaN HEMT柵、源極電壓被鉗位在驅動負壓時，若器件漏、源極電壓低于驅動負壓與柵極開通閾值電壓之差，則eGaN HEMT即可反向導通并進行續流，該狀態被稱為自換向反向導通(SCRC)，一般發生于死區時間的器件續流階段。顯然當eGaN HEMT進行續流時，其漏、源極電壓為一個絕對值較大的負數，因此eGaN HEMT續流損耗E_{loss_deadtime}＝v_DSi_Dt_dead很大，并導致它的死區損耗在其整個工作過程損耗中占比最大。在氮化鎵器件的實際應用中，應盡量減小死區損耗以提高效率，因此死區時間的合理設置非常重要。

此外GaN器件高頻、高開關速度的工作特性也對死區時間設置提出了較高的要求。死區時的輸出電壓會偏離PWM調制的電壓理論值，導致畸變，并且開關頻率越高，死區造成的畸變就越大。

傳統的死區設置方法往往需要在實際實驗中測量器件開關時的各個參數。然而氮化鎵器件開關速度很快(開、管過程往往在幾十納秒左右)，并且工作頻率往往較高，給實驗測量帶來了一定困難；并且氮化鎵器件寄生參數較小，更容易受到外圍電路與測量設備寄生電容、電感的影響，造成測量結果不夠精確。