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基于动态dv/dt开关模型的GaN HEMT三阶段最小切换损耗有源栅极驱动策略
Minimal Switching Loss Three-Stage Active Gate Driving Strategy Based on Dynamic dv/dt Switching Model for GaN HEMT
| 作者 | Shuo Zhang · Chang Liu · Xinyu Li · Desheng Zhang · Yuxiang Yang · Run Min |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高迁移率晶体管 三阶段栅极驱动 最小开关损耗策略 动态dv/dt开关模型 开关损耗 |
语言:
中文摘要
氮化镓高迁移率晶体管（GaN HEMT）的快速开关会导致高 $dv/dt$ 和严重的电磁干扰（EMI）问题，这需要在开关功率损耗之间进行权衡。三级栅极驱动（TSGD）可以缓解开关速度和损耗之间的矛盾，但由于 GaN HEMT 的非线性寄生电容，在现有的 TSGD 策略下实现最小开关损耗具有挑战性。为解决这一问题，本文提出了一种基于动态 $dv/dt$ 开关（DVTS）模型的最小开关损耗 TSGD 策略，该策略能够实现最小开关损耗。首先，基于电荷守恒原理，计算了 GaN HEMT 寄生电容的分段线性等效值。在此基础上，推导了每个开关阶段的瞬态电压和电流的解析表达式，形成了 DVTS 模型，并对 $dv/dt$ 非线性进行了详细分析。此外，计算了每个阶段的开关损耗解析表达式，建立了开关损耗与驱动条件之间的定量关系。通过使总损耗最小化，确定了所需的驱动电流和开关时序。最后，提出了最小开关损耗 TSGD（MSL - TSGD）策略。实验结果表明，所提出的方法将导通损耗降低了 18.6%，并将导通延迟降低了 29.3%。
English Abstract
The fast switching of gallium nitride high mobility transistor (GaN HEMT) results in high dv/dt and severe EMI issues, requiring a trade-off with the switching power loss. Three-stage gate drive (TSGD) can mitigate the conflict between switching speed and losses, but it is challenging to achieve minimal switching loss under the existing TSGD strategy due to the nonlinear parasitic capacitance of GaN HEMT. To address this issue, this article proposes a minimal switching loss TSGD strategy based on a dynamic dv/dt switching (DVTS) model, which can achieve minimal switching loss. First, based on the charge conservation principle, piecewise linear equivalent values for the parasitic capacitances of GaN HEMT are calculated. Based on the result, analytical expressions for the transient voltage and current in each switching stage are derived, which forms the DVTS model and provides detailed analysis for the dv/dt nonlinearity. Furthermore, analytical expressions for switching loss during each stage are calculated, establishing the quantitative relationship between switching loss and drive conditions. By minimizing the total loss, the required driving currents and switching timings are determined. Finally, the MSL-TSGD strategy is proposed. Experimental results demonstrate that the proposed method reduces the turn-on loss by 18.6%, and reduces the turn-on delay by 29.3%.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于动态dv/dt开关模型的GaN HEMT三阶段主动栅极驱动技术具有显著的战略价值。GaN器件的高频快速开关特性是提升光伏逆变器和储能变流器功率密度的关键路径，但其带来的高dv/dt和严重EMI问题一直制约着实际应用。该技术通过电荷守恒原理建立分段线性等效模型，精确刻画了GaN HEMT非线性寄生电容特性，为解决开关速度与损耗之间的矛盾提供了理论基础。
对于阳光电源的核心产品线，该技术的价值体现在多个维度。在光伏逆变器领域，18.6%的开关损耗降低可直接提升系统效率0.3-0.5个百分点，这在大型地面电站和工商业分布式场景中将带来可观的发电量提升。在储能变流器应用中，29.3%的开通延迟降低意味着更快的动态响应能力，这对于电网调频等辅助服务至关重要。同时，受控的dv/dt可有效降低EMI滤波器体积，支持产品向更高功率密度方向发展。
从技术成熟度评估，该方案基于解析模型的优化方法具有良好的工程实现性，但仍需关注几个挑战：一是三阶段驱动电路的复杂度和成本增加；二是不同工况下模型参数的自适应能力；三是与现有产品平台的集成难度。建议阳光电源可将此技术优先应用于高端储能变流器和1500V高压光伏逆变器产品，通过小批量验证逐步积累工程经验，并结合自研的SiC/GaN混合拓扑形成差异化竞争优势。长远来看，这类精细化驱动控制技术将成为新能源电力电子装备迈向更高性能的必由之路。