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电动汽车驱动 GaN器件 ★ 4.0

直接驱动D模氮化镓高电子迁移率晶体管的开关特性及关断损耗降低

Direct Drive D-Mode GaN HEMT Switching Characteristics and Turn-Off Loss Reductions

作者 Jih-Sheng Lai · Hsin-Che Hsieh · Ching-Yao Liu · Wei-Hua Chieng · Chih-Yi Yang · Chang-Shun Hsu
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 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管 直接驱动 双脉冲测试 关断损耗 栅极电压控制
语言:

中文摘要

本文旨在通过直接驱动门控和双脉冲测试来评估耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管(d 型 GaN HEMT)的开关能量。门极驱动电路采用了改进的共源共栅结构以实现“常关”操作,并配备了一个电荷泵电路,用于在关断操作时提供负的门极电压。本文从理论上阐述了这些特性,并通过实验结果进行了验证。与增强型功率 MOSFET 或 HEMT 类似,调节门极驱动电阻会影响开关速度和相关损耗,但 d 型 GaN HEMT 还具有通过门极电压控制降低关断损耗的额外特性。因此,本文的主要贡献在于提出并验证了采用直接驱动方法可显著降低 d 型 GaN HEMT 的关断损耗。

English Abstract

This article aims to evaluate the depletion-mode gallium nitride high electron mobility transistor (d-mode GaN HEMT) using direct-drive gating and double pulse test to assess switching energy. The gate driving circuit features a modified cascode structure for “normally off” operation and a charge-pump circuit to supply a negative gate voltage for turn-off operation. This article described these features theoretically and validated with experimental results. Similar to enhancement-mode power mosfets or HEMTs, adjusting the gate drive resistance can affect the switching speed and associated losses, but the d-mode GaN HEMTs present an additional feature with turn-off loss reduction through gate voltage control. Thus, the main contribution of this article is to propose and demonstrate significant turn-off loss reduction using the direct-drive approach for d-mode GaN HEMTs.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于耗尽型GaN HEMT直接驱动技术的研究具有重要的战略价值。该技术通过改进的级联结构实现"常关"运行,并利用电荷泵电路提供负栅极电压,在关断损耗降低方面展现出显著优势,这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域对高效率功率器件的需求高度契合。

对于阳光电源的核心产品而言,该技术的应用潜力主要体现在三个维度:首先,在大功率光伏逆变器中,通过栅极电压控制实现的关断损耗优化可进一步提升系统效率0.5-1个百分点,这在兆瓦级应用中将带来可观的发电量提升;其次,储能双向变流器的高频开关场景下,降低的开关损耗能够减少散热需求,提高功率密度,支持我们液冷储能系统的小型化设计;第三,该技术的直接驱动方案简化了驱动电路复杂度,有助于降低系统成本和提高可靠性。

然而,技术应用仍面临挑战。耗尽型器件的"常开"特性虽然通过级联结构得到改善,但在系统安全设计和故障保护方面需要更严格的验证。电荷泵电路的长期可靠性、负压驱动对栅极寿命的影响,以及在宽温度范围下的性能稳定性,都需要进行深入的工程化评估。建议我们的功率电子研发团队与供应链合作,开展小批量试验验证,特别关注在户外高温、高湿环境下的长期运行表现,为该技术在下一代1500V+高压系统中的应用奠定基础。