CN115859889A - 一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法 - Google Patents

一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法。步骤主要包括：依照半导体器件数据表将部分非线性参数进行曲线拟合，得到对应的线性关系，并且依据线性化的结果，得到线性化的器件模型；统计等效电路中的全部变量，并且对部分变量进行简化，以简化后的变量为基础，对功率变换器的开关过程以及振铃阶段进行建模；计算并设置初值，使用数学工具对所建模型进行求解，对比模型分析结果与实验结果。本发明相比传统的eGaN HEMT开关过程分析方法，具有着近似的精确性但方法简单，能够帮助工程师们更好的设计驱动电路并使用eGaN HEMT。

Description

一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法
技术领域
本发明属于新型器件的建模领域，涉及一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法。
背景技术
增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(eGaN HEMT)相比于硅基开关管，其具有超快的开关速度，可以在兆赫兹的开关频率下进行工作，因此eGaN HEMT变换器具有着较高的功率密度。但eGaN HEMT对驱动回路的要求较高，在使用中容易产生过电压以及误导通的问题，且不合理的驱动回路会对影响整机效率。所以，对eGaN HEMT变换器进行建模分析，设计合理的驱动参数对于正确使用eGaN HEMT来说非常重要。
目前已有很多以Si MOSFET为主的硅基开关管建模分析方法，虽然硅基开关管和eGaN HEMT有着近似的结构，但eGaN HEMT具有着更快的开关速度和许多非线性参数，所以此类建模分析方法并不适用。而现有的eGaN HEMT开关分析方法中模态繁杂，需要对每一个模态进行独立建模分析，难以应用于多器件的功率变换器。因此，需要一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法以帮助对驱动电阻进行选择。
发明内容
本发明公开了一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法。步骤主要包括：依照半导体器件数据表将部分非线性参数进行曲线拟合，得到对应的线性关系，并且依据线性化的结果，得到线性化的器件模型；统计等效电路中的全部变量，并且对部分变量进行简化，以简化后的变量为基础，对功率变换器的开关过程以及振铃阶段进行建模；计算并设置初值，使用数学工具对所建模型进行求解，对比模型分析结果与实验结果。本发明相比传统的eGaN HEMT开关过程分析方法，具有着近似的精确性但方法简单，能够帮助工程师们更好的设计驱动电路并使用eGaN HEMT。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种eGaN HEMT功率变换器中驱动电阻的选择方法的具体分析流程图；
图2为非线性结电容的曲线拟合结果；
图3为非线性通道电流的曲线拟合结果；
图4为此模型下boost变换器的等效电路；
图5为二次升压变换器的等效电路以及所选取的环路情况；
图6为半导体器件开关切换过程图；
图7为分析结果与实验结果的对照图；
图8为不同驱动电阻下变换器样机的效率图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施步骤如下：
S1：对变换器中的eGaN HEMT和二极管进行线性化的处理；
S2：统计变换器中的总变量的数量，对部分参数进行优化处理并建模；
S3：使用MATLAB对微分方程模型进行求解，依据求解的结果选择最佳的驱动电阻。
图1为实施具体步骤的流程图。
具体地，S1可以分为以下步骤：
S1.1：确定模型中所需的非线性参数，具体为eGaN HEMT的结电容Ciss、Coss、Crss和正向通道电流ich，二极管的结电容CJ和正向通道电流iF；
S1.2：从半导体器件的数据表中获得非线性参数与电压之间的变化曲线；
S1.3：从变化曲线中提取若干采样点，将采样点的数据以及对应的电压导入MATLAB，同时将电压小于等于零时的电容值CJ和Coss设为无穷大值；
S1.4：使用MATLAB曲线拟合工具箱对若干采样点进行拟合，得到近似的拟合曲线，采样点越多，得到的曲线越接近数据表曲线，结果如图2和图3所示。同时将电压小于零时的电容值CJ和Coss设为无穷大值；
S1.5：非线性参数与电压之间的函数关系可以用多重高斯函数或者多重多项式叠加表示，具体表示为：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
Figure SMS_4
S1.6：此方法中，在变换器开关切换的过程中，可将电感视作恒定电流源，将电容以及输出端与输入端视作恒定的电压源；半导体器件可以视作电容与电压控制电流源的组合。以boost变换器为例，其等效电路如图4所示；
具体地，S2可以分为以下步骤：
S2.1：在开关切换过程中，所有的变量均来自于半导体器件，具体为：eGaN HEMT的通道电流ich、漏源电流id、漏源电压vds、栅源电压vgs、栅极电流iG、二极管的通道电流iF、端电压vD、总电流iD；
S2.2：对于单个变换器而言，设开关管的数量为x，二极管的数量为y，开关过程中总体的变量数量为5x+3y，其中ich和iF可以由S1.6中对应的函数关系进行表示；
S2.3：由于部分器件的电流关系可以用基尔霍夫电流定律(KCL)进行表示，所以进一步的，对未知变量进行化简；在开关过程中电路的其他寄生参数不可忽略，主要包括环路寄生电感以及高频电阻，因此，采用回路电流法对变量进行化简；
S2.4：在二次升压变换器中，共有7条支路4个支点，因此共有4个环路(7－4+1)；
S2.5：二次升压变换器中有两个电感，在开关过程中将两个电感置于单独回路中，此回路电流量可视作常数；其余两个环路中电流的大小等于单独存在于此环路中流经半导体器件的电流大小；以图5为例，D2单独存在于loop1中，因此iloop1的值等于流经二极管D2的电流的值，D3单独存在于loop2中，因此iloop2的值等于流经二极管D3的电流的值；
S2.6：单个变换器拓扑中有x个eGaN HEMT，y个二极管，z个电感，变换器拓扑的点线图有b条支路与n个节点，则电压微分方程的数量为2x+y；电流微分方程的数量为b－n－z+1。
S2.7：最终对二次升压变换器进行建模：
Figure SMS_5
Figure SMS_6
Figure SMS_7
Figure SMS_8
Figure SMS_9
Figure SMS_10
Figure SMS_11
Figure SMS_12
S2.8：当开关过程进行完毕后，变换器中处于关断状态的半导体器件将会进入振铃阶段，高频电阻将会出现在模型中，此阶段的微分方程相比S2.10不同点在于环路电流方程，振铃阶段的环路电流方程可以表示为：
Figure SMS_13
Figure SMS_14
具体地，S3可以分为以下步骤：
S3.1：对微分方程中的部分常数进行求解，可通过根据占空比进行计算或者仿真的形式；
S3.2：将微分方程写入MATLAB求解程序中，设置初值，如下表所示：
v<sub>gs</sub> v<sub>ds</sub> i<sub>G</sub> i<sub>loop1</sub> i<sub>loop2</sub> v<sub>D1</sub> v<sub>D2</sub> v<sub>D3</sub>
开通 V<sub>th</sub> 60V 0 0 -2A -V<sub>r</sub> 30V -V<sub>r</sub>
关断 V<sub>P</sub> 0 0 4A 0 30V -V<sub>r</sub> 60V
表中，Vth表示eGaN HEMT的阈值电压，Vr表示二极管的正向压降，VP表示eGaN HEMT的平台电压，这些数值均可在对应数据表中找到；
S3.3：半导体器件的切换过程如图6所示，由于Coss和CJ小于零时被设为无穷大，根据上述电压微分方程，在过零后，vds和vD的变化率会无限接近于零；
S3.4：使用MATLAB对不同驱动电阻下的微分方程进行求解，并且画出曲线图，如图7所示；对比实验以及分析的结果，具有着较高的拟合度，可以证实此方法的可行性；
S3.5：根据此模型的分析结果，可以得知，开通驱动电阻Ron的最佳取值范围位于5Ω～10Ω之间，关断驱动电阻的最佳取值范围位于10Ω～15Ω之间；
S3.6：图8为不同驱动电阻下的变换器整体效率柱状图，经过与S3.6的电阻取值范围进行对比，证明最佳驱动电阻的选型与变换器整体效率之间有着明显的关联。
结论：通过以上的建模分析结果与实验波形结果进行对比，再进一步地于变换器整体效率进行关联对比，足以证实：此发明所公开的一种eGaN HEMT功率变换器中驱动电阻的选择方法，可以实现通过对功率变换器进行分析建模，得到不同驱动电阻下的驱动电压波形，避免了过电压以及误开通的情况，并且在所整定的最佳驱动电阻下，变换器可以获得最高功率。

Claims (10)

1.一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：对变换器中的eGaN HEMT和二极管进行线性化的处理；
S1.1：确定模型中所需的非线性参数，具体为eGaN HEMT和二极管的结电容以及通道电流；
S1.2：从半导体器件的数据表中获得非线性参数与电压之间的变化曲线；
S1.3：从变化曲线中提取若干采样点，将电压小于等于零时的Coss和CJ设为无穷大，将采样点的数据以及对应的电压导入MATLAB；
S1.4：使用MATLAB曲线拟合工具箱对若干采样点进行拟合，得到近似的拟合曲线；
S1.5：采用多种高斯函数和多重多项式叠加的方式表示非线性参数与电压之间的函数关系；
S1.6：得到开关切换过程中线性化的eGaN HEMT和二极管模型；
S2：统计变换器中的总变量的数量，对部分参数进行优化处理并建模；
S2.1：确定开关过程中变换器的变量类型；
S2.2：确定开关过程中变换器的总体变量数量；
S2.3：考虑到其他寄生参数，采用回路电流法对部分变量进行化简；
S2.4：确定变换器拓扑的环路数量；
S2.5：具体的化简方法以及环路电流大小的确定方法；
S2.6：得到最终变换器建模所需的总体变量数量以及电流电压微分方程的个数；
S2.7：采用单个微分方程组的形式对变换器开关过程进行建模；
S2.8：当开关切换过程完成时，对振铃阶段进行建模；
S3：使用MATLAB对微分方程模型进行求解，依据求解的结果选择最佳的驱动电阻；
S3.1：对微分方程中的部分常数进行求解，可通过根据占空比进行计算或者仿真的形式；
S3.2：将微分方程写入MATLAB求解程序中，设置初值；
S3.3：对开关切换阶段以及振铃阶段的微分方程组进行求解，当开关切换过程完成后，处于关断状态的器件将进入振铃阶段，处于开通状态的器件的端电压将恒定为零；
S3.4：得到微分方程组的求解结果，画出求解结果的曲线图，根据实验结果进行比对，验证此方法的可行性；
S3.5：根据分析结果选择合理的驱动电阻，避免驱动的过电压以及误开通问题；
S3.6：对比所选择的最佳驱动电阻与最佳效率时的电阻，验证此方法有益于变换器整体效率。
2.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S1.5和S1.6具体为：
eGaN HEMT以及二极管的等效模型是结电容和电压控制电流源的组合，采用高斯函数对电流源的电流ich以及iF进行全x轴的曲线拟合，将电流的大小定义为连续且可导的函数：ich＝f(vgs)以及iF＝f(vD)，进一步地，不需要将vgs和导通阈值电压的大小关系，以及vD和正向导通阈值端电压的大小关系作为区分不同的模态的条件进行多模态分析。
3.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S2.5具体为：
选取回路时将电感置于单独的回路中，其他回路电流的大小等于处于此单个回路中的半导体器件的电流大小。
4.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S2.1，S2.2，S2.6具体为：
开关过程变换器中变量由eGaN HEMT的通道电流ich、漏源电流id、漏源电压vds、栅源电压vgs、栅极电流iG、二极管的通道电流iF、端电压vD、总电流iD组成，单个变换器中，开关管的数量为x，二极管的数量为y，z个电感，变换器拓扑的点线图有b条支路与n个节点；则开关过程中总体的变量数量为5x+3y，电压微分方程的数量为2x+y；电流微分方程的数量为b－n－z+1。
5.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S2.7具体为：
实现了对模型的线性化，在对功率回路开关过程建模分析时，电压电流的变化均为连续的过程，只有单个模态，只需一组微分方程对开关过程进行建模。
6.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S2.8具体为：
对振铃阶段的建模，电压微分方程保持不变，在电流微分方程中加入高频环路震荡电阻Rloop。
7.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S3.2具体为：
为实现开关过程的线性化分析，设置初值时，vgs在开通时的初值设置为阈值电压Vth，关断时的初值设置为VP。
8.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S3.3具体为：
在S1.3中，当电压小于等于零时的电容值设为无穷大，由于dv/dt＝i/C，在S3.3中处于开通过程中的eGaN HEMT以及二极管的dv/dt会被限制为零，进一步地，通过此方法，实现在单个方程开通过程中的eGaN HEMT以及二极管的电压在过零后保持为零。
9.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S3.4具体为：
分析结果波形的获得方法，具体实现方式为：使用MATLAB对连续可导的微分方程组进行求解；对于变量x，设定总体时长为T，总体采样点数量为m，则求解过程的步长为T/m，以t＝0时刻的初值x0求解t＝0时刻的dx/dt，进一步求解t＝0+T/m时刻的x1，最终由m个不同时刻的求解结果xm组成结果波形。
10.根据权利要求1所述的一种eGaN HEMT功率变换器驱动电阻的选择方法，其特征在于，S3.6具体为：
对变换器整体效率的提升方法是选择合理的驱动电阻得到合理的驱动波形，在避免驱动回路过电压与误开通问题的前提下减小开关损耗，实现效率提升。
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