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电力电子变换器GaN HEMT器件特性与驱动电路设计技术.docx
资料介绍
电力电子变换器GaN HEMT器件特性与驱动电路设计技术
1 引言
氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）是宽禁带功率器件的重要成员，具有极低的栅极电荷、零反向恢复电荷和极高的开关速度，在1~10 MHz开关频率范围内具有显著优势。GaN HEMT的二维电子气（2DEG）通道具有高电子迁移率和高载流子密度，使器件在相同电压等级下具有比Si和SiC更低的导通电阻。GaN HEMT主要分为耗尽型（D-mode）和增强型（E-mode）两种，增强型GaN HEMT在电力电子变换器中应用更广，因其常关特性更安全。本章将系统阐述GaN HEMT的器件特性、开关行为、驱动电路设计要点以及关键保护技术，为GaN HEMT在变换器中的应用提供系统指导。
2 GaN HEMT器件特性
2.1 基本结构
GaN HEMT的器件结构基于GaN/AlGaN异质结，在异质结界面处形成二维电子气（2DEG）通道。增强型GaN HEMT的栅极结构采用p-GaN或MIS结构，在零栅压时2DEG通道被耗尽，器件处于关断状态，在正栅压时2DEG通道恢复，器件导通。增强型GaN HEMT的阈值电压通常在1~2 V，比SiC MOSFET低，对栅极驱动电路的要求更高。
2.2 静态特性
GaN HEMT的导通电阻Rds(on)在额定电压下远低于Si MOSFET和SiC MOSFET，在650V耐压等级下，GaN HEMT的Rds(on)可低至50 mΩ，导通损耗极低。GaN HEMT的导通电阻随温度升高而增大，温度系数约为+2000~+4000 ppm/°C，在高温下导通电阻增大，但绝对值仍低于Si器件。GaN HEMT的阈值电压随温度升高而下降，在高温下更容易导通，需要关断时使用负压。
2.3 动态特性
GaN HEMT的动态特性极为优异，栅极电荷Qg极低（典型值1~5 nC），是Si MOSFET的1/10~1/5，开关速度极快，上升/下降时间可低至2~10 ns。GaN HEMT的体二极管具有零反向恢复电荷，在桥式电路中不存在反向恢复损耗，可减小死区时间，提高效率。GaN HEMT的寄生电容Cgd和Cgs极小，在开关过程中米勒效应较弱，但极高的dv/dt（50~100 kV/μs）对驱动电路和PCB布局提出了更高要求。
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