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(qū)動電路在高頻應用場合下存在損耗較大、驅(qū)動速度有限的問題，因此在高頻應用場合多采用諧振式驅(qū)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?qū)▔航递^大，因此傳統(tǒng)的諧振柵極驅(qū)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(qū)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(qū)動，可靈活調(diào)節(jié)開通和關斷電壓，提升了驅(qū)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(qū)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(qū)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(diào)節(jié)驅(qū)動電壓偏置，通過調(diào)節(jié)電阻R1、R2大小，使驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)動信號的諧振柵極驅(qū)動電路。本文在傳統(tǒng)的諧振驅(qū)動電路的基礎上，增加負電壓以確?？煽筷P斷，并基于電壓移位電路產(chǎn)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(chǎn)生兩個同步驅(qū)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(qū)動電路損耗相比于基于驅(qū)動芯片的硬驅(qū)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(qū)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.