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    3. 关于GaN开关过程、损耗的分析

    关于GaN开关过程、损耗的分析

    科技2024-10-20  25

    2020/10/7

    一星 讲了GaN器件分别用在硬开关和软开关的效率区别，文章真心一般。频率最高只做到750kHz，唯一有作用的可能是最后的两个损耗三维图。1

    二星 讲了关于GaN的门极噪声与电压、频率、门极电阻的关系，文章频率就做到300kHz，作用较小。提到了同步整流BUCK的上管硬，下管ZVS，以及GS振荡的原因，及GaN的反向导通特性，还是有点参考价值的。 2

    三星 讲了如何利用双脉冲测试法测量GaN的开关损耗，主要问题是讲的太简略了，缺少必要的分析。提到了，电流与米勒平台电压、开通关断时间、以及开通损耗大于关断损耗，这一部分有一定参考。3

    2020/10/8

    五星 这篇感觉写的太好啦，很详细很详细。 首先介绍了GaN的开关损耗分布，由与电流无关的损耗Eqoss和Eoss以及与电流有关的损耗Eon和Eoff，其中，Eqoss大于Eoss。当电流较小时，Eqoss和Eoss占较大比重。 在大电流时，如果将并联的GaN运用在电路中，那么，导通损耗将会较小。但是，由此输出电容将会增大，开关损耗会随之增大。 所以，提出了在大电流时，使用同步并联（即所有并联的GaN同时开关）；在小电流时，使用异步并联（即一部分桥臂提前开通，剩下桥臂滞后开通）。 接着，对该并联拓扑进行了分析，并在其中加入了commutation inductors（我理解为补偿电感？）。接着进行了超详细的理论分析和实验分析。得出，在同步模式下，补偿电感可以实现电流的均匀分配，并且在大电流下，导通损耗可以降得很低！而异步模式下，滞后的管子可以实现ZVS，超前的管子一个可以ZVS，一个不完全ZVS，开关损耗也降得超级低！这时有个问题，就是两个管子的热量不能均匀分配，所以文中提到将管子交错放置。 放张结论图，最后。4

    四星 这篇是对GaN损耗及其测量方法的一个综述，还是比较全面的。 介绍了损耗的主要来源：导通损耗包括由热效应、trapping效应（陷阱？）引起的和死区损耗；开关损耗包括VI的重叠损耗及电容损耗Eqoss和Eoss。介绍了开关的过程，分为四个阶段。以及后面还详细介绍了GaN的动态导通电阻，这是由于GaN的特殊构造（电荷trapping效应引起的2DEG的密度变化）。 同时，后面还详细介绍了死区时间的损耗，这一块由于一般GaN要加负压，所以在反向导通时会有比较大的反向损耗（比Si的寄生二极管反向电压更大），所以推荐并联一个肖特基或者使门极信号重叠。 后面介绍了目前的GaN模型，之后超级详细的介绍了双脉冲测量法，不过目前用不到，暂时跳过。5

    2020/10/9

    五星 这篇提出了一个精确的GaN开关模型，并通过实验进行了验证。其中包括了7个开通和7个关断过程。也提出了一种关于GaN损耗计算的方法，总损耗包括开通关断的重叠损耗及电容损耗，高频的振荡损耗（等效为高频阻尼电阻）以及反向导通损耗。在这里面把反向损耗记为开关损耗，跟之前的文章有点冲突呢。最后，文章针对各种参数对损耗的影响进行了分析，如RG，Cds等。 整篇文章对开关过程的分析还是相当给力的，可以细读。6

    P. Sojka, M. Pipiska and M. Frivaldsky, “GaN power transistor switching performance in hard-switching and soft-switching modes,” 2019 20th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE), Kouty nad Desnou, Czech Republic, 2019, pp. 1-5, doi: 10.1109/EPE.2019.8778060. ↩︎

    S. Kim, H. Kim, J. Jung and J. Kim, “Analysis of Gate-Noise in Hard Switching and Soft Switching for Half-Bridge Structure Using GaN HEMT,” 2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Jeju, 2018, pp. 764-768, doi: 10.23919/ICEMS.2018.8549383. ↩︎

    B. Sun, Z. Zhang and M. A. E. Andersen, “Switching transient analysis and characterization of GaN HEMT,” 2018 3rd International Conference on Intelligent Green Building and Smart Grid (IGBSG), Yi-Lan, 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/IGBSG.2018.8393542. ↩︎

    Y. Shen, L. Shillaber, H. Zhao, Y. Jiang and T. Long, “Desynchronizing Paralleled GaN HEMTs to Reduce Light-Load Switching Loss,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 9, pp. 9151-9170, Sept. 2020, doi: 10.1109/TPEL.2020.2970240. ↩︎

    J. Gareau, R. Hou and A. Emadi, “Review of Loss Distribution, Analysis, and Measurement Techniques for GaN HEMTs,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 7, pp. 7405-7418, July 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2954819. ↩︎

    J. Chen, Q. Luo, J. Huang, Q. He and X. Du, “A Complete Switching Analytical Model of Low-Voltage eGaN HEMTs and Its Application in Loss Analysis,” in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 67, no. 2, pp. 1615-1625, Feb. 2020, doi: 10.1109/TIE.2019.2891466. ↩︎

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