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『ChinaAET电子技术应用』【学术论文】GaN FET的结构、驱动及应用综述( 五 )


『ChinaAET电子技术应用』【学术论文】GaN FET的结构、驱动及应用综述
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文献[9]基于UCC17611设计的集成驱动不同于图14 ， 其设计的电路在驱动桥壁上管时驱动信号先经通用CMOS锁相环集成电路CD4046 ， 再经光耦数字隔离器Si8610BC后才由UCC27611驱动 ， 而下管驱动信号则不隔离直接经过UCC27611驱动 。 这种方式可以避免桥壁直通 ， 因为上管的驱动信号经过光耦等元件后 ， 必定与下管驱动信号不同步 ， 有延时 。
3.4.3 UCC21520集成式驱动电路
UCC21520是隔离双通道栅极驱动器 ， 输出的两通道驱动信号互补 。 当PWM信号INA为高电平时 ， 输出OUTA驱动上管开通；INB为高电平时 ， 输出OUTB驱动下管 ， 且INA与INB是互补信号 。 文献[23]采用UCC21520设计了含有源箝位的GaNFET驱动如图15所示 。 由于芯片内部集成有死区电路 ， 所以可通过改变驱动电路中外接电阻R29的阻值来调节死区 。 磁珠起减缓栅极电路中产生较大电压振荡的作用；稳压管用来防止栅源电压V GS 波动太大使开关损坏；箝位三极管V 6 可抑制干扰导致误开通的现象 。 可见 ， 该集成驱动电路的抗扰性较好 。
『ChinaAET电子技术应用』【学术论文】GaN FET的结构、驱动及应用综述
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GaN FET的典型应用
4.1 在电机驱动中的应用
众所周知 ， 在电力工业中60%以上负载是电机 。 在节能减排的大环境下 ， 电机的驱动变换器向低功耗、高功率密度、高效率发展 。 为实现这些目标 ， 人们把目光转向GaN等功率器件 ， 利用GaN FET的特性提高电机驱动变换器的性能 。
文献[1]针对5 kW三相电机 ， 采用了GaN 3×3逆变模块完成了矩阵变换器的控制 ， 大大减小了系统的损耗和体积 。 在10 kHz工作时 ， 变换器效率达到96% ， 功耗低于1 W ， 体积减少不少于1% 。
同样在5 kW电机驱动中 ， 由于传统隔离栅极驱动器在高温下光耦的使用寿命短 ， 因此文献[24]设计了适于高温的带隔离的微波驱动半桥栅极驱动器 。 此驱动采用PGA26C09DV ， 使得GaN逆变器工作在1 MHz时 ， 开关损耗恒为0.9 W ， 效率达到了94% [11]， 且在140°的环境温度中也能提供足够的栅极功率 。
文献[25]通过对采用型号为TPH3206LD的GaN FET和型号为IPL60R185P7的Si MOSFET的三相逆变器的性能比较后发现 ， 开关频率在10 kHz~100 kHz变化时 ， GaN逆变器的开关损耗占总损耗的12%~55%、效率在97.8%~96.4%之间；而Si的损耗为36%~77% ， 10 kHz时效率只有96.9% 。 可见 ， GaN逆变器应用到电机驱动中 ， 其性能要优于Si的 ， 也更有潜力 。
4.2 在LED驱动中的应用
LED寿命长、效率高、节能等优势使其越来越受欢迎 ， 但LED是直流供电 ， 因此变换器成为其必不可少的一部分 。 由于变换器极贴近LED灯 ， 这要求变换器小型化、能在高温下运行 。 而小型化需要开关频率在兆赫兹范围 ， 因此GaN等新型宽禁带半导体在LED驱动中有潜在的市场 。
Eric等人提出一种小而简单的模拟磁滞控制谷底开关(准谐振)浮动Buck变换器 [26]， 该变换器使用了GaN FET器件 。 并通过实验证明 ， 600 V GaN FET在MHz频率等级的优越开关性能使得变换器尺寸有效减小 ， 从而进一步提高了功率密度 ， 并使20 W的LED在2.5～4.4 MHz时效率达到91.2% 。 可见 ， GaN FET在LED驱动应用的前景非常可观 。
4.3 其他应用场合
4.3.1 光伏逆变器
光伏电池板与电网存在电气连接 ， 逆变器的高频行为所导致的共模电压通过光伏板与大地之间的寄生电容 ， 形成共模电流 ， 而共模电流会引起并网电流的畸变 ， 产生电磁干扰 ， 严重时会对人的安全产生威胁 。 因此 ， 需要抑制或消除非隔离型光伏并网系统中的共模电流 ， 基于型号TPH3006PS的GaN双buck并网逆变器有效解决了这个问题 。 经实验证明 ， 其效率达到98.63% [27]。


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