團隊介紹

• 高珊珊，博士研究生，主要研究方向為高頻功率變換器、高電壓增益變換器。曾參與國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目，以第一作者發(fā)表SCI、EI論文12篇，授權國家發(fā)明專利2項。
• 王懿杰，哈爾濱工業(yè)大學教授，博士生導師，1982年出生于黑龍江省，主要研究方向包括照明電子、無線電能傳輸技術、高頻以及超高頻功率變換技術。共發(fā)表SCI/EI檢索文章150余篇，授權發(fā)明專利16項，受理25項。

研究背景

近年來，伴隨著以氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁帶半導體器件的不斷成熟，高頻、高功率密度成為電力電子變換器的主要發(fā)展方向。傳統(tǒng)驅動電路在高頻應用場合下存在損耗較大、驅動速度有限的問題，因此在高頻應用場合多采用諧振式驅動電路。然而，與硅器件不同，GaN器件的開通閾值電壓相對較低，易受到電路中震蕩的影響；且沒有體二極管，反向導通壓降較大，因此傳統(tǒng)的諧振柵極驅動電路不適用于GaN器件。

論文所解決的問題及意義

本文針對高頻應用場合中寄生參數(shù)易引起驅動信號震蕩的問題，結合GaN器件特點，提出了一種基于電壓移位電路的非對稱諧振柵極驅動，可靈活調節(jié)開通和關斷電壓，提升了驅動方案的可靠性及效率。此外，對于需要兩個同步開關的應用場合，如開關電感變換器等，采用具有兩個副邊的變壓器實現(xiàn)兩路隔離同相驅動信號的輸出。

論文方法及創(chuàng)新點

本文提出的基于電壓移位電路的非對稱諧振柵極驅動電路如圖1所示。其中變壓器有兩個副邊，原副邊匝比為1:1:1，可實現(xiàn)原副邊的隔離以及兩路同步信號的輸出。

相比于傳統(tǒng)方案，減少了一組全橋電路，電路結構更加簡單同時損耗也相應減小。通過變壓器副邊的漏感Lr與開關管的寄生電容諧振，取消了抑制振蕩的柵極電阻，可提升開關速度并且降低損耗。同時增加電平移位電路調節(jié)驅動電壓偏置，通過調節(jié)電阻R1、R2大小，使驅動信號的電壓滿足開關器件的要求。

圖中諧振電感大小直接決定著驅動電路的充電電流和開關速度，同時影響諧振網(wǎng)絡的工作狀態(tài)和S1-S4的軟開關情況，從而影響驅動電路的效率。因此，在滿足諧振條件的情況下，諧振電感的選擇應綜合考慮開關速度、系統(tǒng)損耗及防止開關誤動作的問題。

圖1 基于變壓器的諧振柵極驅動電路

結論

本文針對GaN器件提出了一種具有非對稱電壓和兩個同步驅動信號的諧振柵極驅動電路。本文在傳統(tǒng)的諧振驅動電路的基礎上，增加負電壓以確保可靠關斷，并基于電壓移位電路產生較小的關斷電壓以降低損耗。此外，采用具有兩組副邊的變壓器來產生兩個同步驅動信號，可應用于如開關電感變換器等應用場合。通過優(yōu)化諧振電感參數(shù)，在1MHz開關頻率下，所提出的諧振驅動電路損耗相比于基于驅動芯片的硬驅動電路效率可大幅提升。

引用本文

高珊珊，王懿杰，劉怡寧，徐殿國. 針對GaN器件的非對稱雙路同步諧振柵極驅動電路[J]. 電工技術學報， 2021, 36(20): 4185-4193. Gao Shanshan, Wang Yijie, Liu Yining, Xu Dianguo. Resonant Gate Driver with Asymmetrical Voltage and Two Synchronous Drive Signals for GaN Switches. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(20): 4185-4193.