抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路及其测试电路制造技术

一种抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路及其测试电路，属于宽禁带半导体功率器件驱动技术领域。本发明专利技术针对现有使用GaN功率器件的半桥模块，由于功率器件开关速度快而引起的电压与电流尖峰会危害系统稳定的问题。它主要由电感、电容与二极管依次并联后再与另一电容串联构成；所述无损缓冲电路连接在GaN半桥模块的上桥臂功率器件漏极与下桥臂功率器件源极之间。本发明专利技术在桥式电路拓扑的功率回路寄生电感电流变化时，可为其提供低阻抗回路，从而抑制了功率器件两端的尖峰电压，并可破坏GaN半桥模块中的电流谐振回路，从而避免模块出口处的电流振荡。

Lossless Buffer Circuit for Suppressing Voltage Peak and Current Resonance of GaN Half-Bridge Module and Its Test Circuit

【技术实现步骤摘要】
抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路及其测试电路
本专利技术属于宽禁带半导体功率器件驱动
，特别是涉及抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路及其测试电路。
技术介绍
氮化镓(GaN)半导体功率器件与碳化硅半导体功率器件同属于第三代半导体功率器件，其相较于硅基半导体器件具有开关速度快，工作频率高，开关损耗与导通损耗小的优点。除此之外氮化镓功率器件相较于MOSFET没有寄生体二极管，不存在反向恢复损耗，因此更适合用于桥式拓扑应用场合中。随着发展，目前GaN功率器件的功率等级已有较大提高，已有商用600V耐压等级的GaN功率器件进入市场，并适用于单相图腾柱无桥拓扑与逆变器拓扑，其可有效提高变换器效率，并可减小无源器件的体积，节约材料，提升变换器功率密度。虽然GaN功率器件相对于硅基半导体器件具有众多性能优势，但GaN功率器件因其高开关速度带来的高dv/dt和di/dt导致GaN功率器件对电路中的寄生电感非常敏感，容易在开关瞬间引起电压与电流尖峰，所述尖峰显著降低了器件的安全工作功率容量；而若换用更高耐压耐流值的功率器件将造成变换器成本上升。此外，电压和电流尖峰还会增大器件开关损耗，以至蚀刻器件绝缘层，降低器件的使用寿命，进而影响整个系统的使用寿命，甚至直接击穿器件。电压电流尖峰除危害器件安全外还会带来严重的有害电磁干扰(EMI)问题，从而影响整个系统的稳定性。在传统硅基半导体器件应用中，一般添加吸收缓冲电路来抑制电压和电流尖峰。常用的缓冲电路有电容型缓冲、RC缓冲、RCD缓冲及LCD无损缓冲电路等，各种缓冲电路分别适用于不同的应用场合，其中RC缓冲与RCD缓冲电路会引入缓冲损耗，设计不当还会导致变换器损耗增大。对于使用GaN功率器件的半桥模块，由于功率器件开关速度非常快，无损缓冲电路设计不当引起的电流谐振，会危害系统稳定。因此需要研究适用于GaN功率器件的无损缓冲电路。
技术实现思路
针对现有使用GaN功率器件的半桥模块，由于功率器件开关速度快而引起的电压与电流尖峰会危害系统稳定的问题，本专利技术提供一种抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路及其测试电路。本专利技术的一种抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述无损缓冲电路主要由电感、电容与二极管依次并联后再与另一电容串联构成；所述无损缓冲电路连接在GaN半桥模块的上桥臂功率器件漏极与下桥臂功率器件源极之间。根据本专利技术的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述无损缓冲电路包括电感Ls、电容Cs1、电容Cs2及二极管Ds，电容Cs1的一端连接GaN半桥模块的上桥臂功率器件漏极，电容Cs1的另一端连接二极管Ds的阳极，二极管Ds的阴极连接GaN半桥模块的下桥臂功率器件源极；电容Cs2与二极管Ds并联；电感Ls与电容Cs2并联。根据本专利技术的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述电感为贴片电感，所述电容为贴片电容，所述二极管为贴片二极管。根据本专利技术的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述电容Cs1的取值包括：式中I0为最大负载电流，tf为功率器件关断电流下降时间，Vpeak为最大尖峰电压，Vbus为母线电压。根据本专利技术的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述电感Ls和电容Cs2的取值满足以下关系式：式中f0为功率回路中寄生电感与功率器件输出电容的谐振频率。根据本专利技术的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述功率器件包括型号为GS66508B的GaNHEMT半导体器件。本专利技术还提供了一种用于无损缓冲电路的测试电路，所述无损缓冲电路包所述的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，所述测试电路包括GaN半桥模块的上桥臂功率器件Q1、下桥臂功率器件Q2、无损缓冲电路、负载电感L、直流源VCC、功率回路寄生电感L1、功率回路寄生电感L2、功率回路寄生电感L3、功率回路寄生电感L4；针对所述上桥臂功率器件Q1，其栅漏极寄生电容为Cgd1，栅源极寄生电容为Cgs1，漏源极寄生电容为Cds1，漏极寄生电感为Ld1，源极寄生电感为Lcs1；针对所述下桥臂功率器件Q2，其栅漏极寄生电容为Cgd2，栅源极寄生电容为Cgs2，漏源极寄生电容为Cds2，漏极寄生电感为Ld2，源极寄生电感为Lcs2；漏极寄生电感Ld1与直流源VCC正极之间依次连接功率回路寄生电感L1和功率回路寄生电感L2，源极寄生电感Lcs2与直流源VCC负极之间依次连接功率回路寄生电感L3和功率回路寄生电感L4；无损缓冲电路连接在漏极寄生电感Ld1与功率回路寄生电感L3之间，无损缓冲电路中二极管的阴极连接在功率回路寄生电感L3和功率回路寄生电感L4之间，二极管的阳极通过电容Cs1连接在漏极寄生电感为Ld1和功率回路寄生电感L1之间；负载电感L的一端连接在源极寄生电感Lcs1与漏极寄生电感Ld2之间，另一端连接在功率回路寄生电感L1和功率回路寄生电感L2之间。根据本专利技术的基于无损缓冲电路的测试电路，所述负载电感L包括空心电感。根据本专利技术的基于无损缓冲电路的测试电路，所述直流源VCC包括充电后的电解电容。本专利技术的有益效果：本专利技术可应用于使用GaN功率器件的桥式电路拓扑中。对于GaN功率器件主开关管开关瞬间产生的关断电压尖峰与电流尖峰，采用了LCD缓冲电路进行抑制。所述无损缓冲电路在桥式电路拓扑的功率回路寄生电感电流变化时，可为其提供低阻抗回路，从而抑制了功率器件两端的尖峰电压，并可破坏GaN半桥模块中的电流谐振回路，从而避免模块出口处的电流振荡。所述无损缓冲电路在抑制电压尖峰与电流谐振的同时不产生额外的功率损耗。因此，可极大促进GaN半桥模块的系统工作稳定性。附图说明图1为本专利技术所述抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路在测试电路中的连接关系示意图；图2为下桥臂功率器件Q2作为主开关管在开关过程中的功率回路电流流向示意图；其中图2(a)为无缓冲电路时GaN半桥模块下桥臂功率器件Q2开通过程的电流流向示意图；图2(b)为无缓冲电路时GaN半桥模块下桥臂功率器件Q2关断过程的电流流向示意图；图2(c)为缓冲电路为电容时GaN半桥模块下桥臂功率器件Q2开通过程的电流流向示意图；图2(d)为缓冲电路为电容时GaN半桥模块下桥臂功率器件Q2关断过程的电流流向示意图；图2(e)为缓冲电路为本专利技术所述无损缓冲电路时GaN半桥模块下桥臂功率器件Q2开通过程的电流流向示意图；图2(f)为缓冲电路为本专利技术所述无损缓冲电路时GaN半桥模块下桥臂功率器件Q2关断过程的电流流向示意图；图3为GaN半桥模块无缓冲电路与有缓冲电路时，下桥臂功率器件Q2开关过程中电压尖峰与电流振荡的波形对比图；其中图3(a)为无缓冲电路时，下桥臂功率器件Q2开关过程电压尖峰与端口电流振荡仿真波形图；图3(b)为以电容作为缓冲电路时，下桥臂功率器件Q2开关过程电压尖峰与电流振荡仿真波形图；图3(c)为以本专利技术所述无损缓冲电路作为缓冲电路时，下桥臂功率器件Q2开关过程电压尖峰与电流振荡仿真波形图；图3中，iL2表示GaN半桥模块端口电流，vds1表示上桥臂功率器件Q1的漏源极间电压，vgs1表示上桥臂功率器件Q1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述无损缓冲电路主要由电感、电容与二极管依次并联后再与另一电容串联构成；所述无损缓冲电路连接在GaN半桥模块的上桥臂功率器件漏极与下桥臂功率器件源极之间。

【技术特征摘要】
1.一种抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述无损缓冲电路主要由电感、电容与二极管依次并联后再与另一电容串联构成；所述无损缓冲电路连接在GaN半桥模块的上桥臂功率器件漏极与下桥臂功率器件源极之间。2.根据权利要求1所述的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述无损缓冲电路包括电感Ls、电容Cs1、电容Cs2及二极管Ds，电容Cs1的一端连接GaN半桥模块的上桥臂功率器件漏极，电容Cs1的另一端连接二极管Ds的阳极，二极管Ds的阴极连接GaN半桥模块的下桥臂功率器件源极；电容Cs2与二极管Ds并联；电感Ls与电容Cs2并联。3.根据权利要求1或2所述的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述电感为贴片电感，所述电容为贴片电容，所述二极管为贴片二极管。4.根据权利要求2所述的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述电容Cs1的取值包括：式中I0为最大负载电流，tf为功率器件关断电流下降时间，Vpeak为最大尖峰电压，Vbus为母线电压。5.根据权利要求2或4所述的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述电感Ls和电容Cs2的取值满足以下关系式：式中f0为功率回路中寄生电感与功率器件输出电容的谐振频率。6.根据权利要求1或2所述的抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路，其特征在于，所述功率器件包括型号为GS66508B的GaNHEMT半导体器件。7.一种用于无损缓冲电路的测试电路，所述无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王高林，李斌兴，刘少博，张容驰，赵楠楠，霍军亚，朱良红，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23