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基于互补型GaN HEMT的高频脉冲激光驱动器
High-Frequency Pulsed Laser Driver Using Complementary GaN HEMTs
| 作者 | View Document |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 激光驱动器 激光雷达 功率效率 氮化镓晶体管 脉冲激光驱动 |
语言:
中文摘要
本文试图揭示一种用于高频光探测与测距(LiDAR)应用中控制激光源的高效激光驱动器。具体的激光雷达要求包括20 MHz的激光重复频率、10 ns的脉冲持续时间以及50 W的瞬时功率。用于自动驾驶车辆的激光雷达的功率效率至关重要,其总输入功率应控制在15 W以内。为提高功率效率,本文提出了一种半桥脉冲激光驱动器,其高端采用耗尽型氮化镓(D 型 GaN)晶体管,低端采用增强型(E 型)GaN 晶体管。此外,还针对 D 型 GaN 晶体管引入并分析了一种高端栅极驱动器,由于不存在体二极管效应,该驱动器可极大地减少激光脉冲电容充电期间的振荡。关键的效率影响因素包括多层陶瓷电容器的等效串联电阻、高端晶体管的开关损耗以及晶体管的电阻损耗。在综合考虑所有损耗的情况下,发现峰值效率可达 75%,这一结果通过理论和实验方法均得到了验证。实验证明,在 10 kHz 至 20 MHz 的宽激光重复频率范围内,脉冲激光驱动器的运行稳定。
English Abstract
This article attempts to disclose a high-efficiency laser driver that controls laser sources for high-frequency light detection and ranging (LiDAR) applications. The specific LiDAR requisites encompass a 20-MHz laser repetition rate, a 10-ns pulse duration, and an instantaneous power of 50 W. The power efficiency of a LiDAR used in autonomous vehicles is critical, which shall yield a total input power within 15 W. To enhance power efficiency, a half-bridge pulse laser drive is proposed, featuring a depletion mode gallium nitride (D-mode GaN) transistor on the high-side and an enhancement mode (E-mode) GaN transistor on the low-side. A high-side gate drive is also introduced and analyzed for the D-mode GaN transistor, which can greatly minimize oscillation during laser-pulse capacitor charging due to no body diode effect. Key efficiency factors include the equivalent series resistance of multilayer ceramic capacitor, high-side transistor switching loss, and transistor resistive loss. A peak efficiency of 75% is found at the compromise of all losses, which is verified in both theoretical and experimental methods. The pulse laser drive operation is proven to be stable in the experiments over a wide range of laser repetition rates from 10 kHz to 20 MHz.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的互补型GaN HEMT高频脉冲驱动技术具有重要的参考价值和技术延伸意义。虽然研究聚焦于激光雷达应用,但其核心技术路径与我司在高频功率变换领域的技术需求高度契合。
该技术的关键创新在于采用耗尽型GaN(D-mode)与增强型GaN(E-mode)构成的半桥拓扑,实现了20MHz超高频率下75%的峰值效率。这种混合GaN架构有效解决了高频开关损耗和振荡问题,特别是利用D-mode GaN无体二极管效应的特性抑制充电振荡,这对我司新一代高频光伏逆变器和储能变流器的设计具有直接借鉴意义。当前我司在推进碳化硅器件应用的同时,GaN技术在中低功率、超高频场景的优势不容忽视。
从应用前景看,该技术路径可迁移至多个业务场景:一是光伏微型逆变器和组件级MLPE产品,通过提升开关频率实现功率密度提升和磁性元件小型化;二是储能系统的DC-DC变换器,高频化有助于降低系统体积和成本;三是电动汽车车载充电机(OBC),高效率和高功率密度是核心竞争力。
技术挑战主要集中在:混合GaN器件的驱动时序匹配、高频EMI抑制、以及从脉冲驱动到连续功率变换的拓扑适配。建议我司技术团队深入研究其MLCC等效串联电阻优化和高边驱动设计方法,评估在500kHz-2MHz范围内的功率变换应用可行性,这将为我司产品在高功率密度和高效率方向建立技术储备。