摘 要

半导体器件的性能直接决定了电力电子行业的发展，传统的硅材料逐渐达到其理论极限，发展速度不断减慢，难以满足电力电子设备发展的需求。与传统的硅(Si)材料相比，新型半导体材料氮化镓（GaN）具有耐高温、开关速度快，电子迁移率高，宽禁带等优点，在电力电子行业有着广阔的前景。本设计以GaN System公司的增强型GaN HEMT GS66516T为基础，从以下几个方面对增强型GaN HEMT进行分析研究：

（1）将氮化镓材料其与其他常用半导体器件进行对比，分析了GaN材料的特性，研究了不同类别的氮化镓功率器件的特性。

（2）为本设计的全桥逆变器选择了合适的氮化镓功率器件GS66516T，并对其各项参数进行了分析。分析了GS66516T的驱动特点，计算了其各项驱动参数，选择合适的驱动芯片，并提出单极性驱动和双极性驱动两种驱动方案并分析其工作原理。

（3）研究增强型GaN HEMT的反向导通原理，推导了GS66516T反向导通电压的公式，对单极性驱动，双极性驱动，额外反并联二极管三种情况下的损耗进行了分析。在LTspice中搭建双脉冲测试模型，对之前的理论分析进行仿真验证。

为了支持上述研究和分析，本设计搭建了样机进行了双脉冲性能测试。样机PCB板的尺寸为55×40 mm²，散热器尺寸为28×28×14 mm³。实验结果充分证明了上述理论研究和分析的正确性。

关键词：宽禁带半导体器件；增强型GaN HEMT；栅极驱动电路设计；双脉冲测试实验

Abstract

Semiconductor devices’ performance directly determines the development of power electronics. The traditional silicon semiconductor material has gradually reached its theoretical limitation, the speed of it’s development is too slow to meet the needs of power electronic equipments. Compared with the traditional silicon (Si) material, the new semiconductor materials gallium nitride (GaN) with high temperature, fast switching speed, high electron mobility, wide bandgap, etc., in the power electronics industry has broad prospects.Based on GaN System’s GaN e-HEMT GS66516T,this paper researched and analyzed enhanced GaN high electron mobility transistor from the following aspects:

（1）Compared the performance of GaN materials with other commonly used semiconductor materials, studied the characteristics of different types of gallium nitride power devices.

（2）The appropriate gallium nitride power device GS66516T is selected for the full-bridge inverter designed, and its parameters are analyzed.Selected the appropriate GaN device GS66516T for the full bridge inverter,analyzed its parameters and its driving needs. Calculated the driving parameters and select the appropriate gate driver chip. Analyzed the unipolar driving style and the bipolar driving style.

（3）Analyzed GaN e-HEMT’s reverse conduction and deduced the formula of its reverse conduction voltage. The power loss in the case of unipolar driving, bipolar driving and extra anti - parallel diode is analyzed.Built a dual pulse test model in LTspice to prove the theoretical analysis.

In order to support the above research and analysis,we designed an experimental prototype and has carried on the double pulse performance test and the power running test. The size of the prototype PCB board is 55 × 40 mm² and the radiator size is 28 × 28 × 14 mm³. mm². The experimental results proved the correctness of the theoretical researchs and analysis above.

Key words：wide band semiconductor，GaN e-HEMT,gate driving circuit，double pulse test

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 全桥逆变器发展现状 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 GaN特点 2

第2章 GaN HEMT选型及其驱动特点 4

2.1 氮化镓器件的分类 4

2.2氮化镓器件选型 4

2.3 驱动要求 6

2.4 驱动方案 8

2.4.1 单极性驱动 8

2.4.2 双极性驱动 8

2.5 驱动参数计算 10

2.5.1 驱动电压选择： 10

2.5.2 驱动电阻计算： 11

2.6 驱动芯片选择 12

2.6.1 驱动能力 12

2.6.2 传输延时 12

2.6.3 驱动芯片功耗 12

2.7 驱动电路工作方式 13

第3章 增强型GaN HEMT反向导通特性 16

3.1全桥逆变器死区时间损耗分析 16

3.2 GaN HEMT工作原理分析 16

3.3反向导通损耗分析 19

3.3.1 增加反并联二极管 20

3.3.2 使用单极性驱动 20

3.3.3 使用双极性驱动 21

第4章 仿真证明 22

4.1 简介 22

4.2 驱动验证 22

4.2.1 开关特性 22

4.2.2 线路寄生电感影响仿真 24

4.2.3 米勒效应的影响仿真 26

4.2.4 增强型GaN HEMT反向导通现象仿真 27

第5章 实验结果 33

5.1 样机的设计 33

5.2 实验平台介绍 34

5.3 实验结果分析 35

第6章 总结与展望 38

6.1 总结 38

6.2展望 38

参考文献 39

致谢 41

附录 42

第1章 绪论

1.1 背景

逆变技术是电力电子技术中十分重要的一部分。逆变器的作用是将其从市电电网、太阳能电池、燃料电池等处获取的质量较低的不稳定的直流电能转换为满足负载需求的稳定的高质量交流电能。在电力电子变换和控制领域中，逆变器应用十分广泛，有源滤波器、变频电源、不间断电源、新能源系统、直流输电系统等方面都离不开逆变器。^{[1][ 2]}

逆变器的种类繁多，按照逆变电路结构来分类大致可分为全桥逆变器、半桥逆变器、带中心抽头的逆变器、单相推挽式逆变器、双降压式逆变器等。^[3]其中全桥逆变器电路结构简单，控制较为灵活，其开关管承受的电压应力及电流应力相对较小，因而得到了十分广泛的应用。

1.2 全桥逆变器发展现状

近些年来，用户对电能质量以及电力电子设备要求的越来越高，全桥逆变器正向高频化、高效化、小型化的方向发展。目前，要实现全桥逆变器的高效化、高频化、小型化，主要有以下几种方法：

（1）改进电路拓扑和转换技术，实现大功率低损耗，例如多电平技术和多重化技术，在大功率情况下实现低损耗。采用多电平和多重化技术能用低容量的器件实现大倍数的电压提升从而在一定程度上解决高压器导通损耗较高的问题，实现大功率低损耗，提高系统效率和输出电能质量。^[4]多电平技术和多重化技术的缺点是控制策略复杂，系统稳定性不高。