面向光伏逆變系統(tǒng)的氮化鎵功率器件應(yīng)用研究

【摘要】：隨著新能源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)電力電子器件的性能和可靠性的要求也日益苛刻,以硅材料為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電力電子器件已經(jīng)逐步逼近由材料物理特性決定的理論極限。作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)材料具有許多硅材料所不具備的優(yōu)異性能,是高頻、高壓、高溫和大功率應(yīng)用的優(yōu)良半導(dǎo)體材料,無(wú)論在民用或是軍事領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著GaN技術(shù)的進(jìn)步,大直徑硅基GaN外延技術(shù)逐步成熟并向商用化方向發(fā)展。2010年以來(lái),多家國(guó)際著名半導(dǎo)體廠商相繼推出GaN高電子遷移率晶體管(HEMT),寬禁帶GaN功率器件應(yīng)用的研究成果日益顯著。然而,寬禁帶GaN器件的特性研究和應(yīng)用研究尚處于初步階段,其器件特性尚缺乏深入和系統(tǒng)的分析。 本文重點(diǎn)研究了增強(qiáng)型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT在微型光伏逆變系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體如下： 首先,本文完善了GaN HEMT的第三象限工作特性曲線,給出了不同類(lèi)別的GaN HEMT的全范圍輸出伏安特性曲線。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)型GaN HEMT、Cascode GaN HEMT的工作模態(tài)的理論分析,得出了GaN HEMT不同工作模態(tài)出現(xiàn)的條件,為后文GaN HEMT的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。 本文通過(guò)分析GaN HEMT高頻應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)電路影響要素,提出了GaN HEMT的驅(qū)動(dòng)電路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。本文通過(guò)對(duì)增強(qiáng)型GaN HEMT動(dòng)態(tài)器件特性的分析得出了其適合于并聯(lián)應(yīng)用,總結(jié)出了增強(qiáng)型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要素及其并聯(lián)應(yīng)用影響因素。在此基礎(chǔ)上給出了增強(qiáng)型GaN HEMT雙管并聯(lián)的PCB電路布局設(shè)計(jì)方法。增強(qiáng)型GaN HEMT并聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了文中對(duì)增強(qiáng)型GaN HEMT電路寄生參數(shù)影響分析的正確性。 針對(duì)GaN器件應(yīng)用的可靠性,本文提出了一個(gè)適用于高頻場(chǎng)合的GaN HEMT過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案,該保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè)GaN HEMT的漏-源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其過(guò)流故障的檢測(cè)。該GaN HEMT過(guò)流保護(hù)電路具有保護(hù)延時(shí)短、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),大大提高了GaN HEMT在高頻應(yīng)用下的可靠性。 增強(qiáng)型GaN HEMT是目前功率密度最高的寬禁帶器件。本文提出基于增強(qiáng)型GaN HEMT的交錯(cuò)正反激DC/DC電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文中通過(guò)降低耦合電感漏感及優(yōu)化死區(qū)設(shè)置可明顯減小GaN HEMT反向?qū)ㄟ^(guò)程損耗,以實(shí)現(xiàn)高效率、高升壓比及高功率密度的微型逆變器適用的升壓電路。增強(qiáng)型GaN交錯(cuò)正反激DC/DC電路的軟開(kāi)關(guān)特性,可進(jìn)一步降低增強(qiáng)型GaN HEMT器件應(yīng)力,減小增強(qiáng)型GaN HEMT的開(kāi)關(guān)損耗,提高變換器的效率。文中給出了電路的設(shè)計(jì)方法,并詳細(xì)分析了基于GaN HEMT交錯(cuò)正反激電路的損耗計(jì)算。此外,GaN肖特基二極管的特性分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,GaN肖特基二極管與SiC肖特基二極管基本無(wú)反向恢復(fù),較Si快恢復(fù)二極管有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。 600V的耐壓等級(jí)使得其適用于微型逆變器的逆變電路。Cascode GaN HEMT的特殊結(jié)構(gòu)使得其動(dòng)態(tài)過(guò)程較Si MOSFET等單體器件更為復(fù)雜,因而,Cascode GaN HEMT的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析同樣需要引入其寄生參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。本文提出了考慮寄生參數(shù)的高壓Cascode GaN HEMT的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析方法,GaN HEMT的等效電路考慮了對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程及開(kāi)關(guān)損耗有重要影響的寄生電感寄生電容,并探討了寄生參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響并進(jìn)行歸納分析。理論分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明了寄生參數(shù)對(duì)高壓GaN HEMT開(kāi)關(guān)過(guò)程影響的重要性。 【關(guān)鍵詞】：光伏逆變系統(tǒng) 微型逆變器 GaN HEMT 增強(qiáng)型 共源共柵結(jié)構(gòu) 動(dòng)態(tài)特性 器件并聯(lián) 過(guò)流保護(hù)
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN304;TM615
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-27
• 1.1 光伏逆變系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)14-20
• 1.2 微型光伏逆變器的研究熱點(diǎn)20-22
• 1.3 氮化鎵功率器件在微型逆變器中的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題22-25
• 1.3.1 氮化鎵功率器件的應(yīng)用特性23
• 1.3.2 氮化鎵功率器件保護(hù)電路設(shè)計(jì)23-24
• 1.3.3 電路寄生參數(shù)影響及布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究24-25
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 2 GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用特性研究27-55
• 2.1 增強(qiáng)型GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)及其工作原理27-32
• 2.1.1 增強(qiáng)型GaN HEMT的基本結(jié)構(gòu)28
• 2.1.2 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣28-29
• 2.1.3 增強(qiáng)型GaN HEMT的工作原理29-30
• 2.1.4 增強(qiáng)型GaN HEMT的關(guān)鍵參數(shù)30-31
• 2.1.5 增強(qiáng)型GaN HEMT器件性能31-32
• 2.2 增強(qiáng)型GaN HEMT的輸入(驅(qū)動(dòng))特性32-37
• 2.2.1 增強(qiáng)型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)要求33-35
• 2.2.2 增強(qiáng)型GaN HEMT開(kāi)通、關(guān)斷速度35-37
• 2.3 增強(qiáng)型GaN HEMT的輸出特性37-41
• 2.3.1 增強(qiáng)型GaN HEMT的反向?qū)C(jī)理37-38
• 2.3.2 增強(qiáng)型GaN HEMT的輸出特性曲線38-39
• 2.3.3 增強(qiáng)型GaN HEMT的反向?qū)刂撇呗?/span>39-40
• 2.3.4 增強(qiáng)型GaN HEMT工作模態(tài)分析40-41
• 2.4 Cascode GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)及其工作原理41-45
• 2.4.1 Cascode GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)41-42
• 2.4.2 Cascode GaN HEMT工作原理及模態(tài)分析42-45
• 2.5 Cascode GaN HEMT的應(yīng)用特性45-50
• 2.5.1 Cascode GaN HEMT的輸入(驅(qū)動(dòng))特性45-47
• 2.5.2 Cascode GaN HEMT中Si MOSFET的輸出特性47-48
• 2.5.3 Cascode GaN HEMT中高壓耗盡型GaN HEMT輸出特性48-49
• 2.5.4 Cascode GaN HEMT的輸出特性49-50
• 2.6 GaN HEMT仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證50-53
• 2.7 本章小結(jié)53-55
• 3 GaN HEMT驅(qū)動(dòng)布局優(yōu)化及保護(hù)電路設(shè)計(jì)研究55-75
• 3.1 引言55
• 3.2 增強(qiáng)型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)要素55-58
• 3.2.1 柵極驅(qū)動(dòng)電路的環(huán)路電感55-57
• 3.2.2 柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選取57-58
• 3.3 增強(qiáng)型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化58-65
• 3.4 增強(qiáng)型GaN HEMT雙管并聯(lián)應(yīng)用設(shè)計(jì)65-69
• 3.4.1 增強(qiáng)型GaN HEMT器件特性受溫度的影響65-67
• 3.4.2 增強(qiáng)型GaN HEMT雙管并聯(lián)的PCB布局設(shè)計(jì)67
• 3.4.3 增強(qiáng)型GaN HEMT并聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果67-69
• 3.5 GaN HEMT過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)69-74
• 3.5.1 GaN HEMT過(guò)流保護(hù)電路電路設(shè)計(jì)70-72
• 3.5.2 過(guò)流保護(hù)電路仿真驗(yàn)證72
• 3.5.3 過(guò)流保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證72-74
• 3.6 本章小結(jié)74-75
• 4 增強(qiáng)型GaN HEMT在光伏系統(tǒng)DC/DC電路的應(yīng)用研究75-97
• 4.1 引言75
• 4.2 增強(qiáng)型GaN HEMT動(dòng)態(tài)特性75-78
• 4.2.1 增強(qiáng)型GaN HEMT通態(tài)阻抗76-77
• 4.2.2 增強(qiáng)型GaN HEMT輸出電容損耗77
• 4.2.3 增強(qiáng)型GaN HEMT的反向恢復(fù)特性77-78
• 4.3 增強(qiáng)型GaN HEMT交錯(cuò)正反激DC/DC電路及工作原理78-81
• 4.4 GaN HEMT交錯(cuò)正反激DC/DC電路優(yōu)化設(shè)計(jì)81-85
• 4.4.1 耦合電感漏感控制81-83
• 4.4.2 GaN HEMT死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制83-85
• 4.5 增強(qiáng)型GaN HEMT交錯(cuò)正反激DC/DC電路的損耗分析85-89
• 4.5.1 增強(qiáng)型GaN HEMT交錯(cuò)正反激DC/DC電路器件選型85-86
• 4.5.2 增強(qiáng)型GaN/HEMT交錯(cuò)正反激DC/DC電路損耗分析86-89
• 4.6 交錯(cuò)正反激DC/DC電路仿真驗(yàn)證89-91
• 4.6.1 交錯(cuò)正反激DC/DC電路仿真89-90
• 4.6.2 二極管寄生電容參數(shù)的影響90-91
• 4.7 交錯(cuò)正反激DC/DC電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證91-95
• 4.7.1 GaN HEMT實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證91-93
• 4.7.2 GaN二極管實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比93-95
• 4.8 本章小結(jié)95-97
• 5 Cascode GaN HEMT在光伏系統(tǒng)逆變電路的應(yīng)用研究97-125
• 5.1 引言97
• 5.2 考慮寄生參數(shù)的Cascode GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)97-98
• 5.3 單相逆變器中Cascode GaN HEMT動(dòng)態(tài)過(guò)程分析98-111
• 5.3.1 Cascode GaN HEMT正向?qū)ㄟ^(guò)程分析99-104
• 5.3.2 Cascode GaN HEMT正向關(guān)斷過(guò)程分析104-107
• 5.3.3 Cascode GaN HEMT反向續(xù)流導(dǎo)通過(guò)程分析107-108
• 5.3.4 Cascode GaN HEMT反向續(xù)流關(guān)斷過(guò)程分析108-111
• 5.4 基于Cascode GaN HEMT單相逆變器的損耗分析111-113
• 5.5 影響電壓尖峰的寄生參數(shù)主要因素113-116
• 5.5.1 Cascode GaN HEMT寄生電感的影響113-114
• 5.5.2 Cascode GaN HEMT器件封裝及布局方式114-116
• 5.6 基于Cascode GaN HEMT的單相逆變器仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證116-122
• 5.7 基于GaN HEMT兩級(jí)微型逆變器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證122-124
• 5.8 本章小結(jié)124-125
• 6 結(jié)論125-127
• 參考文獻(xiàn)127-137
• 作者簡(jiǎn)歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果137-141
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集141

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電力系統(tǒng)電壓放大數(shù)字化逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)    張方軍;金文兵;

基于電網(wǎng)電壓矢量定向的三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)    王要強(qiáng);周楊;

高壓大功率三電平逆變系統(tǒng)故障特性分析與保護(hù)原理研究    劉健;尹項(xiàng)根;張哲;唐萍;熊卿;王存平;

基于PSIM9.0的單相光伏逆變系統(tǒng)的仿真研究    孫冰;白樹(shù)忠;鄭世松;

大容量光伏逆變系統(tǒng)接入弱電網(wǎng)運(yùn)行可行域研究    黃亞峰

數(shù)字化PWM逆變系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用    楊金輝

面向光伏逆變系統(tǒng)的氮化鎵功率器件應(yīng)用研究    張雅靜

LCL濾波的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)及其適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的控制策略    王要強(qiáng)

單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)    任奇

地鐵輔助逆變系統(tǒng)研究    王少林

單相高頻并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)    楊琳

基于模型設(shè)計(jì)的三相三電平逆變系統(tǒng)研究    李歡

風(fēng)力發(fā)電單相逆變系統(tǒng)研究    王喜超

單相并網(wǎng)型光伏逆變系統(tǒng)研究    張久亮

燃料電池車(chē)用高頻逆變系統(tǒng)的諧波分析與抑制    趙前程

三相儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    謝紫亮

光伏離網(wǎng)逆變系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁干擾技術(shù)研究    肖家旺

家用型光伏逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究    徐淑珍