基于GaN 功率晶体管的高功率密度分布式电源系统的研究

As a typical representative of the 3rd generation wide band-gap semiconductor materials, the gallium nitride (GaN) is a very hard, mechanically stable wide band-gap semiconductor material with high heat capacity and thermal conductivity. High critical field enable high voltage operation, while high electron mobility and electron saturation velocity allow for high frequency operation. This project will focus on the high efficiency compact distributed power systems based on GaN power transistors. An analytical model and the driving method for GaN power transistors are achieved based on the characterization of devices. Then optimized circuit topology, modulation method and control strategy will be studied. The evaluation method of the core loss, especially the factor selection, will be discussed based on improved Steinmetz equation. And an accurate core loss measure circuit will be developed to handle the arbitrary waveform excitation with or without dc bias. Finally, the integration method and thermal design method for high density point of load converter in high current applications will be developed.

作为第三代半导体代表的氮化镓(Gallium Nitride, GaN)具有饱和电子漂移速度高、热导率高、介电常数小、抗辐射能力强的特性被视为硅材料替代品，是高频、高压、高温和大功率应用的首要选择，它的出现为功率变换系统的高频化打下坚实基础。本项目将致力于高精度、高计算效率GaN功率晶体管模型研究，用于对GaN功率晶体管电路仿真、损耗分析和优化设计；开展GaN功率晶体管的驱动技术、变换器的结构及控制技术的研究，以充分发挥新器件的优越性；优化MHz 级磁性元件的设计方法、损耗分析模型，探讨磁芯损耗测试方法，以保障高功率密度和热可靠性的设计；探讨负载点变换器（Point of Load，POL）三维集成的方法以及热处理技术，以实现高密度、高效率、高可靠供电。

氮化镓(Gallium Nitride, GaN)具有饱和电子漂移速度高、热导率高、介电常数小、抗辐射能力强的特性被视为硅材料替代品，是高频、高压、高温和大功率应用的首要选择，它的出现为功率变换系统的高频化打下坚实基础。.本项目提出一种基于负载跳变检测算法的负载前馈控制策略，提高了三相Vienna整流器的动态性能，优化了系统效率；提出多种变导通时间控制策略改善了对单相PFC系统的输入谐波；分析了高压GaN器件封装对其寄生参数的影响以及寄生参数对LLC谐振变换器的影响并提出设计准则；提出一种输入串联输出准并联的多路输出变换器架构提高了DC-DC系统的效率；探讨了车载双向DC-DC和DC-DC功率密度的提升方式和控制方式；提出了三电平、多电平驱动方式提高了驱动的可靠性，解决了反向导通损耗高的问题；研究了器件在高频/超高频的应用拓扑设计和控制方式，提高了系统的集成度；针对GaN在非接触供电系统的应用，研究了变压器的设计和补偿方法。.研究完成了计划目标，研究结果为GaN器件的应用提供了有效的参考。