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Cascode GaN晶体管与GaN二极管应用研究

黄波  
【摘要】:随着电力电子技术高频化和高功率密度化的发展,开关电源对电力电子器件性能和可靠性的要求日益苛刻,以硅(Silicon, Si)材料为基础的传统电力电子功率器件已逐步逼近其理论极限。作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,氮化镓(Gallium Nitride, GaN)具有比Si更优异的物理特性,是高频、高温、高压和大功率应用的优良半导体材料,具有广阔的市场前景。2010年以来,GaN功率器件的研究成果日益显著,但与碳化硅(Silicon Carbide, SiC)器件相比,其器件特性与应用的研究尚处于初步阶段,有待更深入和更系统的研究。本文主要研究对象为Cascode GaN晶体管和GaN二极管。首先介绍GaN功率器件的研究背景与国内外发展现状,对比分析单体增强型GaN晶体管与CascodeGaN晶体管的优缺点及适用场合。其次基于器件结构的分析与器件特性的测试,研究了Cascode GaN晶体管与GaN二极管的静态特性,给出相应的静态特性数学模型。然后基于Cascode GaN晶体管带寄生参数的等效电路,分析其动态特性,给出开通与关断损耗的数学模型,并通过仿真与实验进行验证;通过实验手段测试了GaN和SiC二极管反向恢复情况,并进行对比分析。本文还提出适合高频场合的Cascode GaN晶体管过流保护电路,并通过仿真与实验验证了该电路的可行性。最后从功率变换器的角度,把GaN功率器件应用于Buck变换器与单相全桥逆变器中,基于本文得出的GaN器件静态特性与动态特性的数学模型对变换器进行损耗分析,并搭建实验样机,用实验验证了理论分析的正确性。本课题所做的理论分析、仿真分析和实验分析均表明Cascode GaN晶体管具有十分优异的高频特性,且GaN二极管也具有与SiC肖特基二极管同样出色的高频特性,非常适用于高频、高功率密度的中小功率应用场合。


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1 黄波;Cascode GaN晶体管与GaN二极管应用研究[D];北京交通大学;2016年
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