面向高频大功率变换器的GaN HEMT基础应用方法研究

To meet the increasing requirement of high efficiency and high power density of high power conversion systems, basic application methods of GaN HEMT are studied in this project. To overcome the challenges caused by the ultra-high speed switching characteristics of GaN HEMT and the system-level complex parasitic parameters, three topics are mainly studied: 1) The multi-physical model of the GaN HEMT based on analysis of the influence mechanism to the device of the complex parasitic parameters. 2) ns-level ultra-high speed driver and protection method of GaN HEMT based on the consideration of the influence caused by system-level stray parameters. 3) Design and optimization of GaN HEMT based high power converters under extreme electromagnetism conditions. Theoretical analysis, simulation, and experiments shall be carried out to verify the proposed methods. A bi-directional DC/DC converter is designed as the practical platform for the verification. Through this project, theoretical foundation and optimization methods for the GaN HEMT based high-frequency high-power-density converter will be established. The research results on GaN-based bi-directional converters will also provide optimized solutions for industry applications like renewable energy generation.

面向大功率变换器对高效率、高功率密度的应用需求，针对GaN HEMT的高速开关特性和系统复杂分布参数带来的应用挑战，突破常规分析与设计方法在高频大功率电路中的不足，主要开展以下研究：1)分析混杂分布参数对器件特性的影响机理，研究GaN HEMT多物理场建模方法；2)建立系统分布参数模型，研究适用于GaN HEMT的ns级新型高速驱动和保护方法；3)研究复杂电磁功率条件下基于GaN HEMT的大功率变换器分析与设计方法，突破高频大功率电路系统级优化理论和技术。研究成果将以双向变换器为平台进行应用验证，通过本项目将形成一系列面向高频大功率变换器的GaN HEMT基础应用方法，实现基于GaN HEMT的高效、高功率密度且驱动、保护、散热功能完善的大功率变换器解决方案，研究成果将丰富和发展宽禁带功率器件应用技术以及高频大功率变换器的优化理论和方法，为可再生能源发电等应用提供有效解决方案。

本项目面向大功率变换器对高效率、高功率密度的应用需求，针对GaN HEMT的高速开关特性和系统复杂分布参数带来的应用挑战，突破常规分析与设计方法在高频大功率电路中的不足，主要开展以下研究：1）分析混杂分布参数对器件特性的影响机理，研究GaN HEMT多物理场建模方法；2）建立系统分布参数模型，研究适用于GaN HEMT的ns级高速驱动和保护方法；3）研究复杂电磁功率条件下基于GaN HEMT的大功率变换器分析与设计方法，研究系统级优化设计应用理论和技术。通过以上研究，本项目突破GaN HEM器件的应用理论和方法以及高频大功率变换器的拓扑分析和优化等问题，实现了一整套基于GaN HEMT的高效率、高可靠性、高功率密度且驱动、控制、保护功能完善的变换器设计解决方案，形成了面向高频功率变换的GaN HEMT应用基础方法，实现了基于GaN HEMT的高效、高功率密度且驱动、保护功能完善的大功率变换器解决方案。通过本项目研究，提出了GaN HEMT的多物理场耦合建模方法，并搭建了新型的器件测试平台进行测试，验证里所提模型的正确性；设计了具有高共模瞬态噪声抑制能力的GaN HEMT驱动和保护电路，研制了集成驱动和保护的650V/120A GaN HEMT半桥模块，开通时间为10ns，关断时间为15ns；提出了适用于GaN HEMT的多相高频变压器磁集成方法，提出了漏感、励磁电感可精确设计的高频变压器结构并进行了实验验证；提出了基于GaN HEMT的高频、高功率密度、大功率双向直流变换器设计与优化方法，分析了可调式漏感精确设计的方法，研制了基于GaN HEMT的10kW直流变换器样机，额定输出电压1kV，最高效率98.29%，功率密度5.34W/cm3。本项目形成了面向高频、高功率密度、大功率应用的GaN HEMT应用解决方案，丰富和发展宽禁带功率器件的应用理论和方法以及高频大功率变换器的拓扑分析理论和方法，为可再生能源发电、电动汽车充电、智能电网等高频双向功率变换应用提供理论、方法和技术支撑。