一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810005281.8
(22)申请日 2018.01.03
(71)申请人 燕山大学
地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北
大街西段438号
(72)发明人 郭小强　张健华　王学惠　王宝诚　
张纯江　
(74)专利代理机构 秦皇岛一诚知识产权事务所
(普通合伙) 13116
代理人 李合印
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
H03K 17/567(2006.01)
H02M 1/34(2007.01)
(54)发明名称一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法(57)摘要本发明公开了一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，其技术方案要点是：首先，建立开关器件的双脉冲测试电路，建立电路的高频等效模型，然后得到高频等效电路的复数域公式，得到高频GaN开关器件两端电压的特征方程。

可以采用两种方式来得到缓冲电路的值，一种是固定吸收电阻R S ，以吸收电容C S 为参变量，根据式特征方程画出缓冲电容C S 的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数的对应的电容C S 的值作为吸收电容的值；另一种是固定吸收电容C S ，以缓冲电阻R S 为参变量，根据特征方程画出缓冲电阻R S 的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数的对应的电阻R S 的值作为吸收电容的值。

本发明解决了
传统缓冲电路设计过程过于复杂的问题。

权利要求书2页 说明书3页 附图2页CN 108229023 A 2018.06.29
C N 108229023
A
1.一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)首先，建立高频GaN开关器件的双脉冲测试电路，所述双脉冲测试电路包括开关器件S、负载电感L、续流二极管D、吸收电阻R S、吸收电容C S和直流电压源E0；开关器件S的一端点“a”与负载电感L串联，负载电感L并联续流二极管D，续流二极管D的正极与负载电感L连接于“a”点，续流二极管D的负极与负载电感L连接于“b”点；由吸收电阻Rs与吸收电容Cs串联组成缓冲电路，缓冲电路的吸收电阻Rs一端连接到“b”点，其吸收电容Cs一端与开关器件S的另一端点“c”相连；直流源E0正极与“b”点相连，负极与“c”点相连；稳压电容C与直流电压源E0并联，其一端接到“b”点，另一端接到“c”点；所述双脉冲测试电路中考虑直流母线寄生电感L p，稳压电容C线路上的寄生电阻R0和电压源与稳压电容之间的寄生电感L o，寄生电阻R0相当于串联在稳压电容C的上端，寄生电感L p相当于连接在“b”点与寄生电阻R0之间，寄生电感L o相当于连接在寄生电阻R0与直流源E0正极之间；
(2)建立双脉冲测试电路的高频等效模型；在开关器件S断开时，负载电感L视为开路，稳压电容C视为短路，电压源E0视为开路。

电路的高频等效模型结构如下：开关器件S的寄生电容C o的一端点为“d”，另一端点为“e”点，缓冲电路的吸收电阻Rs一端与“d”点相连，其吸收电容Cs一端与“e”点相连，寄生电阻R0与寄生电感L p串联，寄生电阻R0一端与“d”点相连，寄生电感L p一端与“e”点相连。

2.根据权利要求1所述的一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，其特征在于：所述高频GaN开关器件缓冲电路的吸收电阻R S和吸收电容C S的计算方式如下：
(1)根据高频GaN开关器件的高频等效电路，令初始条件为：缓冲电路电流I s和母线电流
I p的初始值为i0，母线电流I p初始值为零，开关器件S的漏极电流I d初始值为零。

I s为缓冲电路电流，V DS为开关器件S两端电压。

得到高频等效电路的复数域公式：
由上述公式⑴得到开关器件S两端电压公式：
在上述公式⑵中：
D(s)＝(C O C S L P R S)s3+(C O L P+C S L P+C O C S R0R S)s2+(C S R S+C S R0+C O R0)s+1 ⑶
由上述公式⑶得到特征方程：
(C O C S L P R S)s3+(C O L P+C S L P+C O C S R0R S)s2+(C S R S+C S R0+C O R0)s+1＝0； ⑷
(2)采用两种方式得到高频GaN开关器件缓冲电路的值；一种是固定吸收电阻R S，以吸收电容C S为参变量，根据式⑷特征方程画出缓冲电容C S的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数对应的电容C S值作为吸收电容的值；一种是固定吸收电容C S，以缓冲电阻R S为参变量，根据式⑷特征方程画出缓冲电阻R S的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数对应的电阻
R S值作为吸收电容的值。

一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其涉及一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法。

背景技术
[0002]在电力电子变换器中，高频GaN开关器件存在寄生电容，该寄生电容与线路中的寄生电感发生谐振会引起开关器件两端电压过冲和振荡，由于开关器件的耐压有一定的限值，为了保证设备的正常工作，需要采用缓冲电路来抑制开关器件两端电压过冲和振荡，因此研究高频GaN开关器件的缓冲电路具有重要意义。

一般，在设计高频GaN开关器件的缓冲电路时，需要综合考虑开关器件对应的主电路结构、电路器件的容量、开关器件的开通特性以及关断特性等因素，设计过程比较复杂，采用一种双脉冲测试电路从特征方程的角度来得到合适的缓冲电路的值，可以简化缓冲电路的设计过程，得到适合的吸收电容和吸收电感的参数。

发明内容
[0003]本发明的目的是提出一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，该方法能够避免电路设计过程过于复杂的问题达到优化设计的目的。

[0004]为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0005]一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，其内容包括以下步骤：
[0006](1)首先，建立高频GaN开关器件的双脉冲测试电路，所述双脉冲测试电路包括开关器件S、负载电感L、续流二极管D、吸收电阻R S、吸收电容C S和直流电压源E0；开关器件S的一端点“a”与负载电感L串联，负载电感L并联续流二极管D，续流二极管D的正极与负载电感L连接于“a”点，续流二极管D的负极与负载电感L连接于“b”点；由吸收电阻Rs与吸收电容Cs 串联组成缓冲电路，缓冲电路的吸收电阻Rs一端连接到“b”点，其吸收电容Cs一端与开关器件S的另一端点“c”相连；直流源E0正极与“b”点相连，负极与“c”点相连；稳压电容C与直流电压源E0并联，其一端接到“b”点，另一端接到“c”点；所述双脉冲测试电路中考虑直流母线寄生电感L p，稳压电容C线路上的寄生电阻R0和电压源与稳压电容之间的寄生电感L o，寄生电阻R0相当于串联在稳压电容C的上端，寄生电感L p相当于连接在“b”点与寄生电阻R0之间，寄生电感L o相当于连接在寄生电阻R0与直流源E0正极之间；
[0007](2)建立双脉冲测试电路的高频等效模型；在开关器件S断开时，负载电感L视为开路，稳压电容C视为短路，电压源E0视为开路。

电路的高频等效模型结构如下：
[0008]开关器件S的寄生电容C o的一端点为“d”，另一端点为“e”点，缓冲电路的吸收电阻Rs一端与“d”点相连，其吸收电容Cs一端与“e”点相连，寄生电阻R0与寄生电感L p串联，寄生电阻R0一端与“d”点相连，寄生电感L p一端与“e”点相连。

[0009]所述高频GaN开关器件缓冲电路的吸收电阻R S和吸收电容C S的计算方式如下：[0010](1)根据高频GaN开关器件的高频等效电路，令初始条件为：缓冲电路电流I s和母
线电流I p的初始值为i0，母线电流I p初始值为零，开关器件S的漏极电流I d初始值为零。

I s为缓冲电路电流，V DS为开关器件S两端电压。

[0011]得到高频等效电路的复数域公式：
[0012]
[0013]由上述公式⑴得到开关器件S两端电压公式：
[0014]
[0015]在上述公式⑵中：
[0016]D(s)＝(C O C S L P R S)s3+(C O L P+C S L P+C O C S R0R S)s2+(C S R S+C S R0+C O R0)s+1 ⑶
[0017]由上述公式⑶得到特征方程：
[0018](C O C S L P R S)s3+(C O L P+C S L P+C O C S R0R S)s2+(C S R S+C S R0+C O R0)s+1＝0； ⑷
[0019](2)采用两种方式得到高频GaN开关器件缓冲电路的值；一种是固定吸收电阻R S，以吸收电容C S为参变量，根据式⑷特征方程画出缓冲电容C S的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数对应的电容C S值作为吸收电容的值；一种是固定吸收电容C S，以缓冲电阻R S为参变量，根据式⑷特征方程画出缓冲电阻R S的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数对应的电阻R S值作为吸收电容的值。

[0020]由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0021]本发明提出了一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，解决了传统缓冲电路设计过程过于复杂的问题，提出了一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法。

附图说明
[0022]图1为高频GaN开关器件的双脉冲测试电路；
[0023]图2为双脉冲测试电路的高频等效电路；
[0024]图3为该设计方法的设计步骤流程图。

具体实施方式
[0025]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。

[0026]图1所示为高频GaN开关器件的双脉冲测试电路，图2所示为双脉冲测试电路的高频等效电路，图3为该设计方法的设计步骤流程图。

[0027]一种高频GaN开关器件缓冲电路设计方法，如图3流程图所示，具体包括如下步骤：[0028](1)首先，建立如图1的高频GaN开关器件的双脉冲测试电路，图1中，所述双脉冲测试电路包括开关器件S、负载电感L、续流二极管D、吸收电阻R S、吸收电容C S和直流电压源E0；开关器件S的一端点“a”与负载电感L串联，负载电感L并联续流二极管D，续流二极管D的正极与负载电感L连接于“a”点，续流二极管D的负极与负载电感L连接于“b”点；由吸收电阻Rs
与吸收电容Cs串联组成缓冲电路，缓冲电路的吸收电阻Rs一端连接到“b”点，其吸收电容Cs 一端与开关器件S的另一端点“c”相连；直流源E0正极与“b”点相连，负极与“c”点相连；稳压电容C与直流电压源E0并联，其一端接到“b”点，另一端接到“c”点；所述双脉冲测试电路中考虑直流母线寄生电感L p，稳压电容C线路上的寄生电阻R0和电压源与稳压电容之间的寄生电感L o，寄生电阻R0相当于串联在稳压电容C的上端，寄生电感L p相当于连接在“b”点与寄生电阻R0之间，寄生电感L o相当于连接在寄生电阻R0与直流源E0正极之间；
[0029](2)然后，如图2，建立双脉冲测试电路的高频等效模型。

在开关器件S断开时，由于负载电感L的高频阻抗远大于二极管两端的寄生电感，负载电感L视为开路；由于稳压电容C 的高频阻抗远小于R0，稳压电容C视为短路；由于电压源E0与功率模块的距离相对稳压电容C 距功率模块的距离较大，电压源E0视为开路。

电路的高频等效模型的结构如下：开关器件的寄生电容C o的一端点为“d”，另一端点为“e”点，缓冲电路一端与“d”点相连，另一端与“e”点相连，寄生电阻R0与寄生电感L p串联，一端与“d”点相连，另一端与“e”点相连。

[0030]在高频GaN开关器件的双脉冲测试电路中，所述高频GaN开关器件缓冲电路的吸收电阻R S和吸收电容C S的计算方式如下：
[0031](1)根据高频GaN器件的高频等效电路，令缓冲电路电流I s和母线电流I p的初始值为i0，母线电流I p初始值为零，开关器件S的漏极电流I d初始值为零。

I s为缓冲电路电流，V DS 为开关器件S两端电压。

[0032]得到高频等效电路的复数域公式：
[0033]
[0034]由上述公式⑸得到开关器件两端电压公式：
[0035]
[0036]在上述公式⑹中：
[0037]D(s)＝(C O C S L P R S)s3+(C O L P+C S L P+C O C S R0R S)s2+(C S R S+C S R0+C O R0)s+1 ⑺
[0038]由上述公式⑺得到特征方程：
[0039](C O C S L P R S)s3+(C O L P+C S L P+C O C S R0R S)s2+(C S R S+C S R0+C O R0)s+1＝0 ⑻
[0040](2)采用特征方程得到高频GaN开关器件缓冲电路的值。

特征方程D(s)＝0是一个3阶多项式，在复平面区域有3条根轨迹，根轨迹与实轴的交点被称为分离点。

分离点将解的情况分为两种：一种是都为实根；一种是一个实根和一对共轭复数根。

所以，采用两种方式来得到缓冲电路的值，一种是固定吸收电阻R S，以吸收电容C S为参变量，根据式⑻特征方程画出缓冲电容C S的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数对应的电容C S值作为吸收电容的值；另一种是固定吸收电容C S，以缓冲电阻R S为参变量，根据式⑻特征方程画出缓冲电阻R S的参数根轨迹，选取特征方程的根都为实数对应的电阻R S值作为吸收电容的值。

图1
图2
图3。