[发明专利]适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法

说明书

本发明公开了一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，适用于氮化镓器件的技术领域；首先将基于增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEM的半桥电路中续流管关断、主开关管开通与主开关管关断、续流管开通的过程划分为数个阶段；确定半桥电路中点到负载中点的电流方向并判断主开关管和续流管；获取半桥电路及eGaN HEMT的参数信息；求得开关各个阶段的方程组的数值解；通过数值解得到开关过程中每个阶段的持续时间；根据开关过程各阶段的持续时间计算出续流管关断、主开关管开通与主开关管关断、续流管开通过程的最优死区；根据计算出的最优死区，结合电路实际情况进行死区优化设置。实施过程简便，精确度较高，并且具有广泛的实用性。

技术领域

本发明涉及一种半桥电路死区优化设置方法，尤其适用于氮化镓器件的技术领域使用的一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法。

背景技术

第一代半导体器件硅(Si)器件经过几十年的发展，其性能已经接近材料的极限。随着对电力电子设备性能要求的提高，新型宽禁带半导体器件(如碳化硅、氮化镓等)开始取代硅器件出现在各种电力电子领域的应用中。其中第三代半导体器件——氮化镓(GaN)功率半导体器件在性能上具有诸多方面的优势：其击穿场强较大、沟道导通电阻小、功率密度高、输入和输出电容低、开关速度极快。GaN器件的优异特性使得其在高频、高效电力电子变换器领域拥有很大的优势，因此GaN器件非常适用于电动机车、航空工业、新能源发电、微网等领域。

半桥电路是电力电子领域的基础电路，广泛存在于各种电力电子装置之中。将GaN器件应用于半桥电路中能够大幅提升电力电子装置的性能，但这也带来了诸多问题与挑战。

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)的导通原理与Si MOSFET不同，只通过沟道中的电子进行导电，没有少子和P-N结，因此eGaN HEMT的反向续流不是通过体二极管进行的。当满足下式时，eGaN HEMT可以进行反向续流：v_DS≤-V_th+v_{GS_off}，式中v_th为eGaN HEMT的栅极开通阈值电压，v_{GS_off}为驱动芯片的驱动负压，v_DS为器件漏、源极电压。当eGaN HEMT栅、源极电压被钳位在驱动负压时，若器件漏、源极电压低于驱动负压与栅极开通阈值电压之差，则eGaN HEMT即可反向导通并进行续流，该状态被称为自换向反向导通(SCRC)，一般发生于死区时间的器件续流阶段。显然当eGaN HEMT进行续流时，其漏、源极电压为一个绝对值较大的负数，因此eGaN HEMT续流损耗E_{loss_deadtime}＝v_DSi_Dt_dead很大，并导致它的死区损耗在其整个工作过程损耗中占比最大。在氮化镓器件的实际应用中，应尽量减小死区损耗以提高效率，因此死区时间的合理设置非常重要。

此外GaN器件高频、高开关速度的工作特性也对死区时间设置提出了较高的要求。死区时的输出电压会偏离PWM调制的电压理论值，导致畸变，并且开关频率越高，死区造成的畸变就越大。

传统的死区设置方法往往需要在实际实验中测量器件开关时的各个参数。然而氮化镓器件开关速度很快(开、管过程往往在几十纳秒左右)，并且工作频率往往较高，给实验测量带来了一定困难；并且氮化镓器件寄生参数较小，更容易受到外围电路与测量设备寄生电容、电感的影响，造成测量结果不够精确。