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储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 5.0

一种用于氮化镓HEMT的带Miller钳位电路的新型串扰抑制方法

A Novel Crosstalk Suppression Method With Miller Clamp Circuit for GaN HEMTs

作者 Tianci Wang · Chuang Bi · Siyong Luo · Fan Li · Wei Bao
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 GaN器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 氮化镓功率器件 桥臂串扰 新型米勒钳位栅极驱动器 串扰抑制 双脉冲测试
语言:

中文摘要

氮化镓(GaN)功率器件展现出显著特性,如高开关速度和低传导损耗,从而有助于提高开关电源转换器的效率和功率密度。然而,氮化镓功率器件高开关速度和低导通阈值的优势也使其容易受到桥臂串扰的影响。为解决上述问题,本文提出了一种新型米勒钳位栅极驱动器(NMCGD)。本文首先详细阐述了NMCGD的工作原理。在NMCGD中,它利用负电压使氮化镓关断过程中的双极结型晶体管(BJT)处于饱和状态。这一操作有效地将部分驱动电阻短路,降低了驱动回路的阻抗并抑制了串扰,同时在确保快速导通和关断速度的情况下,还减少了栅极导通振荡。同时,给出了参数设计和器件选择标准。值得注意的是,这种NMCGD使用的无源元件数量极少,适合集成到驱动集成电路中。最后,通过使用INN650D150A氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)进行双脉冲测试,验证了NMCGD的有效性。

English Abstract

Gallium nitride (GaN) power devices exhibit noteworthy characteristics, such as high switching speeds and low conduction losses, thereby facilitating enhanced efficiency and power density in switching power converters. Nevertheless, the advantages of high switching speeds and low conduction thresholds in GaN power devices also render them susceptible to bridge-leg crosstalk. To resolve the above issue, a novel miller clamp gate driver (NMCGD) is proposed. The detailed working principles of NMCGD are first elucidated in this article. In NMCGD, it utilizes the negative voltage to make the bipolar junction transistor (BJT) in a saturated state during the shutdown process of GaN. This action effectively short-circuits a portion of the drive resistor, reducing the impedance of the drive loop and suppressing crosstalk, which also reduces gate turn-on oscillation while ensuring prompt turn-on and turn-off speeds. At the same time, the parameter design and device selection criteria are presented. Notably, this NMCGD employs a minimal number of passive components, making it suitable for integration into driver IC. Finally, the efficacy of NMCGD is validated through a double-pulse test utilizing the INN650D150A GaN HEMTs.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对GaN HEMT器件桥臂串扰抑制的新型Miller钳位驱动技术具有重要的应用价值。GaN功率器件凭借其高开关速度和低导通损耗特性,正成为光伏逆变器和储能变流器实现高功率密度、高效率的关键技术路径,这与公司产品向小型化、轻量化发展的战略高度契合。

该论文提出的新型Miller钳位栅极驱动器(NMCGD)精准解决了GaN器件在高速开关过程中的桥臂串扰难题。通过利用负电压使BJT进入饱和状态,动态降低驱动回路阻抗,该技术在抑制串扰的同时有效减少了栅极开通振荡,这对于提升逆变器系统的可靠性和电磁兼容性至关重要。特别是其采用最少无源元件的设计理念,为驱动IC集成化提供了可能,符合阳光电源在驱动电路标准化和成本优化方面的需求。

从技术成熟度评估,该方案已通过INN650D150A器件的双脉冲测试验证,展现出良好的工程应用前景。对于阳光电源而言,将此技术应用于新一代高频GaN逆变器产品,可望在保持快速开关特性的前提下,显著改善系统的动态性能和抗干扰能力,进而提升整机效率0.5-1个百分点。

然而,技术落地仍需关注几个关键挑战:一是不同GaN器件参数差异下的驱动电路优化设计;二是在宽温度范围和长期运行条件下的可靠性验证;三是与现有产品平台的兼容性改造成本。建议公司技术团队开展针对性的预研工作,评估在1500V大功率储能变流器等高端产品线的应用可行性,抢占GaN技术商业化应用的先机。