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        基于GaN器件Buck電路死區(qū)功耗分析與優(yōu)化

        2016-08-12 06:26:33胡官昊陳萬軍施宜軍
        電源學(xué)報(bào) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:效率系統(tǒng)

        胡官昊,陳萬軍,施宜軍,周 琦,張 波

        (電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院,成都610054)

        基于GaN器件Buck電路死區(qū)功耗分析與優(yōu)化

        胡官昊,陳萬軍,施宜軍,周琦,張波

        (電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院,成都610054)

        氮化鎵功率器件以其優(yōu)異的高速、高效特性而有望在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。在Buck開關(guān)電源應(yīng)用中,系統(tǒng)采用GaN HEMT替換傳統(tǒng)Si功率器件后,系統(tǒng)死區(qū)損耗成為阻礙系統(tǒng)效率提升的一個(gè)重要因素。針對(duì)GaN器件的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)死區(qū)功耗展開理論及仿真討論,詳細(xì)分析Si功率器件與GaN HEMT在buck型開關(guān)電源系統(tǒng)中不同的工作機(jī)制以及死區(qū)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)功耗的影響。優(yōu)化結(jié)果表明,輸入電壓為12 V、輸出電壓為1.2 V、開關(guān)頻率為700 kHz的GaN基電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),在死區(qū)時(shí)間Td1=20 ns、Td2=0 ns、負(fù)載電流為20 A的情況下系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到92%。

        死區(qū)時(shí)間;氮化鎵器件;同步buck型開關(guān)電源

        引言

        Buck型開關(guān)電源作為一種被廣泛應(yīng)用于精密儀器、通訊系統(tǒng)中的降壓轉(zhuǎn)換器,不斷朝著更小型化、輕型化,更高轉(zhuǎn)換效率方向發(fā)展。在Si基功率器件因自身材料特性限制很難繼續(xù)推動(dòng)這一發(fā)展的背景下,基于GaN材料的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)被迅速發(fā)展起來[1]。然而,GaN器件因?yàn)椴痪哂蠸i器件自身所寄生的體二極管,導(dǎo)致器件的反向?qū)C(jī)理也不同于Si器件。這一特性使得系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間對(duì)GaN器件作用不同于Si器件,正確評(píng)估這一影響對(duì)于充分發(fā)揮GaN器件在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域優(yōu)勢具有重要意義。

        本文首先簡單介紹了buck型開關(guān)電源及開關(guān)電源中功率器件開關(guān)過程,通過理論分析,得出GaN HEMT相較于Si MOSFET在buck型開關(guān)電源系統(tǒng)應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間改變更為敏感的結(jié)論;然后借助于仿真手段搭建buck型開關(guān)電源電路,對(duì)理論分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)評(píng)估死區(qū)時(shí)間變化對(duì)系統(tǒng)效率的影響;最后通過對(duì)GaN基buck型開關(guān)電源系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間仿真結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化,獲得最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率方案。

        1 Buck型開關(guān)電源

        Buck變換器是一種輸出電壓低于輸入電壓的直流穩(wěn)壓器,其基本電路拓?fù)湟妶D1。Buck變換器電路中開關(guān)管在開啟和關(guān)斷兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比獲得目標(biāo)輸出電壓[2-4]。

        圖1 同步Buck開關(guān)電源拓?fù)銯ig.1 Topology of synchronous buck converter

        2 死區(qū)時(shí)間定義

        柵極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)序如圖2所示。理想的柵控制信號(hào)是具有固定周期T、固定占空比D的矩形脈沖,如圖2中實(shí)線部分。點(diǎn)線部分為實(shí)際控制信號(hào)的上升沿和下降沿。正確計(jì)算測量死區(qū)時(shí)間對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)效率具有重要意義[5-6]。將死區(qū)時(shí)間分為兩部分:Td1作為M1開啟死區(qū)時(shí)間,代表自同步功率管M2開始關(guān)斷到M1開始開啟時(shí)間區(qū)間;Td2作為M2開啟死區(qū)時(shí)間,代表自主開關(guān)管M1開始關(guān)斷到同步開關(guān)管M2開始開啟時(shí)間區(qū)間。柵信號(hào)在電路中傳輸存在延時(shí)可能導(dǎo)致M1與M2同時(shí)開啟的情況發(fā)生時(shí),Td1或Td2為負(fù)值。控制器為確保系統(tǒng)具有充足死區(qū)時(shí)間裕度,在2個(gè)控制信號(hào)之間插入一段延遲時(shí)間,保障系統(tǒng)安全高效。

        圖2 柵極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)序Fig.2 Timing sequence of gate driver voltages

        3 功率管開關(guān)過程分析

        從器件開關(guān)過程分析死區(qū)時(shí)間作用機(jī)理,探究Si MOSFET與GaN HEMT器件在應(yīng)用中的差別。圖3所示為考慮器件自身寄生電容、寄生電阻在內(nèi)的單個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)電流變化瞬態(tài)。為了簡化分析,圖中功率管模型均通過反向并聯(lián)二極管來說明器件的反向?qū)ㄌ匦浴?/p>

        圖3(a)為圖2 t0時(shí)刻電路瞬態(tài)電流路徑,此時(shí)M1處于完全關(guān)斷狀態(tài),M2處于完全開啟狀態(tài)。從t0開始,Vg2開始減小,M2開始關(guān)斷,此時(shí)M2的輸入電容Ciss(Cgs+Cgd)開始通過柵電阻Rg釋放存儲(chǔ)電荷。而M2漏源兩端電壓Vds隨著M2的輸出電容被充電不斷下降,直至達(dá)到GaN器件反向?qū)ㄩ撝惦妷篤th,器件開始反向?qū)?,并隨著Vg2的減小,反向?qū)窂搅鬟^的電流開始不斷增加。

        圖3(b)為M2完全關(guān)斷t1時(shí)刻系統(tǒng)電流路徑,此時(shí)電流完全流過反向?qū)窂?,Si基MOSFET由于自身寄生的體二極管導(dǎo)通,壓降約為0.7 V;GaN器件反向?qū)娏?0 A時(shí),壓降為2.2 V。從t1時(shí)刻至M1開啟前的時(shí)間段為Td1,Td1越高,GaN反向?qū)ǖ南到y(tǒng)功率損耗較Si基MOSFET越嚴(yán)重。

        圖3 單周期內(nèi)不同瞬態(tài)電流路徑Fig.3 Transient current paths in different phases of single switching cycle

        圖3(c)中,M1柵電壓Vg1從t2時(shí)刻開始增大,對(duì)Ciss充電,同時(shí)Vds1開始減小,M1輸出電容Coss對(duì)外放電。開關(guān)節(jié)點(diǎn)處電位Vs不斷升高,直至M2反向?qū)ㄍV梗藭r(shí)系統(tǒng)電流路徑如圖3(d)所示,M1溝道開啟,同時(shí)Coss開始充電。直至系統(tǒng)電流完全流經(jīng)M1溝道,圖3(e)所示。

        圖3(f)為t3時(shí)刻后,M1的柵電壓開始降低,M1的輸入電容Ciss開始經(jīng)Rg放電,同時(shí) Coss開始充電,此時(shí)Vs開始降低,Coss放電。隨著以上過程持續(xù),Vs不斷降低至使M2反向?qū)ǎ罱KM1在t4時(shí)刻完全關(guān)斷,此時(shí)電流完全流過M2的反向?qū)窂?,如圖3(g)所示。在t4至t5之間的時(shí)間段為Td2,Td2過大將使得GaN系統(tǒng)功耗遠(yuǎn)高于Si系統(tǒng)。在t5時(shí)刻M2柵電壓開始增加,電流路徑如圖3(h)所示,M2開始導(dǎo)通,這一過程直至M2完全導(dǎo)通,電流路徑完全流經(jīng)M2溝道,如圖3(i)所示。

        經(jīng)過對(duì)器件開關(guān)過程分析發(fā)現(xiàn),控制器為Si MOSFET系統(tǒng)引入的足量死區(qū)時(shí)間對(duì)GaN器件不能發(fā)揮其更優(yōu)異的器件特性。死區(qū)時(shí)間過長則死區(qū)器件反向?qū)〒p耗大幅增加,過短則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功耗大幅增加。由于GaN HEMT器件較Si基MOSFET器件更為優(yōu)異的R*Q優(yōu)值[7],使得GaN HEMT器件在開關(guān)電源工作中具有更快的開啟速度以及更低的導(dǎo)通電阻,從而具備更小的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。然而這一優(yōu)異特性在過短的死區(qū)時(shí)間系統(tǒng)中將產(chǎn)生不良影響,因?yàn)樵谳^短死區(qū)時(shí)間系統(tǒng)中,更快的開啟速度使得器件開啟過程可能發(fā)生在另一器件完全關(guān)斷之前,從而發(fā)生嚴(yán)重的穿通現(xiàn)象;GaN器件較低的導(dǎo)通電阻使得器件在這一短暫的穿通過程中流過較大電流,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的穿通損耗,這對(duì)高效轉(zhuǎn)換系統(tǒng)顯然是不可接受的。

        綜上所述,GaN開關(guān)電源系統(tǒng)對(duì)于死區(qū)時(shí)間的設(shè)置要求較Si基MOSFET更為嚴(yán)格,理論而言相同死區(qū)時(shí)間對(duì)GaN開關(guān)電源引起的無用功耗相較Si基開關(guān)電源要高出許多,因此,準(zhǔn)確評(píng)估這一過程對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率具有重要的意義。

        圖4 死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路Fig.4 Dead-time generating circuit

        4 仿真設(shè)置

        在針對(duì)GaN基開關(guān)電源系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間相關(guān)功耗評(píng)估優(yōu)化的同時(shí),為了對(duì)比分析死區(qū)時(shí)間對(duì)GaN器件系統(tǒng)和Si系統(tǒng)的不同影響,本文采用相同的電路結(jié)構(gòu)對(duì)兩種器件進(jìn)行了仿真分析。本文所采用的器件模型分別為:Renesas公司所提供的RJ K0301DPB的Si MOSFET模型[8],EPC公司提供的型號(hào)為EPC2023的GaN功率器件模型[9],TI公司提供的LM5113驅(qū)動(dòng)模型[10],凌力爾特公司的控制器LTC3833仿真模型[11],以及相應(yīng)無源器件模型搭建電路進(jìn)行仿真。2種功率器件均為30 V、60 A增強(qiáng)型器件,由于GaN器件材料優(yōu)勢,GaN器件特征導(dǎo)通電阻Ron為1 mΩ,不到RJK0301DPB的導(dǎo)通電阻2.3 mΩ的一半,EPC2023器件的特征柵電容為20 nC,小于RJK0301DPB的 32 nC,從而EPC 2023應(yīng)具有較RJK0301DPB更小的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗[8-9]。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的參數(shù)為:12~1.2 V,輸出電流20 A,系統(tǒng)頻率700 kHz。為了驗(yàn)證實(shí)際工程應(yīng)用中控制器內(nèi)部提供死區(qū)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)功耗的影響,仿真并未采用EPC公司提供的電路設(shè)計(jì)方案[12],即通過反向器將Vg1信號(hào)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生Vg2,這一設(shè)計(jì)在增加系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)也增加了系統(tǒng)功耗及成本。

        死區(qū)延時(shí)產(chǎn)生電路原理如圖4所示,控制器所產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)過如圖3所示的死區(qū)延遲時(shí)間產(chǎn)生電路。圖中虛線框內(nèi)為Td1引入延時(shí)產(chǎn)生電路,點(diǎn)短線框內(nèi)為Td2引入延時(shí)產(chǎn)生電路。這種RCD電路的工作原理為:在柵信號(hào)的上升過程中,柵信號(hào)通過可變電阻給電容充電,這個(gè)充電過程將對(duì)驅(qū)動(dòng)器接收的信號(hào)引入一個(gè)延時(shí),從而在器件開啟之前引入一個(gè)死區(qū)時(shí)間。而在柵信號(hào)下降過程中,電容存儲(chǔ)電荷通過二極管直接釋放,不會(huì)對(duì)柵信號(hào)下降造成延時(shí)。通過調(diào)節(jié)電阻大小可以向柵信號(hào)中插入適合的Td1和Td2延時(shí)使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。本次仿真針對(duì)Td1和Td2引入延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響,分別固定其中一個(gè)變量進(jìn)而對(duì)另一變量進(jìn)行優(yōu)化分析,獲得最優(yōu)死區(qū)時(shí)間。為了滿足驅(qū)動(dòng)器速度與被驅(qū)動(dòng)的器件速度匹配,在低阻抗的柵極驅(qū)動(dòng)器與被驅(qū)動(dòng)器件之間連接一個(gè)1 Ω的外部電阻。

        圖5 各系統(tǒng)器件總功耗隨死區(qū)時(shí)間變化關(guān)系對(duì)比Fig.5 Power loss on GaN vs.Si devices as a variation of dead-time

        5 仿真結(jié)果及分析

        5.1死區(qū)時(shí)間對(duì)兩種系統(tǒng)功耗影響

        死區(qū)時(shí)間對(duì)M1和M2功率管總功耗影響關(guān)系如圖5所示,其中圖5(a)為功率管功耗與Td1引入延時(shí)關(guān)系,圖5(b)為功率管功耗與Td2引入延時(shí)關(guān)系。從圖中可以看出如下結(jié)論:①在Buck型開關(guān)電源中引入GaN HEMT替代Si MOSFET可以顯著降低系統(tǒng)無用功耗,提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率,由此可預(yù)見在更適合GaN器件應(yīng)用的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)中,GaN系統(tǒng)的優(yōu)勢將更加明顯;②在相同系統(tǒng)狀態(tài)情況下,GaN HEMT相較于Si MOSFET對(duì)系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間更為敏感,在引入過長死區(qū)時(shí)間后,器件損耗顯著增加,使得GaN HEMT總功耗顯著增大甚至超過Si MOSFET,抵消由引入GaN器件為系統(tǒng)帶來的能耗降低;③從圖中最優(yōu)效率點(diǎn)的位置可以看出,GaN系統(tǒng)需要更為精準(zhǔn)的死區(qū)時(shí)間調(diào)整電路輔助以達(dá)到最優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率;④基于當(dāng)前大多控制器針對(duì)Si基功率管設(shè)計(jì)這一事實(shí),控制器在上下管同步信號(hào)中插入在死區(qū)時(shí)間對(duì)Si功率管損耗影響不大,且充分防止穿通情況發(fā)生,而這一過長的死區(qū)時(shí)間不僅會(huì)導(dǎo)致GaN系統(tǒng)功耗顯著增大,在更高頻情況下甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去轉(zhuǎn)換功能。

        5.2死區(qū)時(shí)間對(duì)GaN系統(tǒng)上下管影響

        為Td1和Td2引入的時(shí)間延遲對(duì)GaN系統(tǒng)上下兩管功耗的影響仿真結(jié)果如圖6所示,從圖6中可以看出:

        (1)Td1引入延遲后降低了同步整流管 M2損耗。圖6(a)可以分為2個(gè)階段,第1階段為圖中0~15 ns范圍,由于Td1延遲的引入,使得Td2減小,M2反向?qū)〞r(shí)間減少,從而使M2功耗降低,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提升。而在這個(gè)階段Td1引入延遲并未對(duì)M1功耗產(chǎn)生影響。第2階段為圖中15~35 ns區(qū)域,由于Td1引入延遲時(shí)間持續(xù)增大,使得Td2不斷減小,在M1并未完全關(guān)斷前,M2開始微弱導(dǎo)通,產(chǎn)生穿通損耗,在這個(gè)階段M1與M2功耗開始不斷增大,隨著Td2減小為負(fù)值,穿通現(xiàn)象加重,M1與M2功耗開始大幅度增加。而這一階段發(fā)生在M1關(guān)斷、M2開啟并逐漸由儲(chǔ)能元件對(duì)外供電過程中,M2源漏兩端電壓為(Vin-Vo),遠(yuǎn)大于M1,因此在這個(gè)過程中M2功耗顯著高于M1。

        (2)從圖6(b)可以看出,Td2引入延時(shí)后,M2反向?qū)〞r(shí)間增大,由于GaN器件方向?qū)▔航递^高為2.2 V左右,系統(tǒng)負(fù)載電流為20 A的情況下,M2反向?qū)〞r(shí)間增大意味著無用功耗更高,導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率開始下降。不同于圖6(a)中情況,為防止器件穿通,控制器在輸出上端功率管控制信號(hào)時(shí)加入一段死區(qū)時(shí)間,使得Td1并未快速降低至0。因此,圖6(b)中曲線出現(xiàn)一個(gè)平緩區(qū)域,但是由于過長的Td2延遲引入,使得Td1變?yōu)樨?fù)值,發(fā)生穿通現(xiàn)象,此時(shí)等效于將12 V輸入電源短接,遠(yuǎn)大于圖6(a)情況,因此功耗遠(yuǎn)高于圖6(a)。以上過程發(fā)生在M2關(guān)斷、M1開啟并逐漸由電源對(duì)負(fù)載供電過程中,M1源漏兩端電壓為(Vin-Vs),遠(yuǎn)大于M2源漏兩端電壓,因此在這個(gè)過程中M1功耗顯著高于M2。

        5.3最優(yōu)死區(qū)時(shí)間

        通過對(duì)Td1與Td2死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié),分別獲得了最優(yōu)死區(qū)時(shí)間Td1和Td2。理論分析及仿真驗(yàn)證表明,Td2引入延遲為0時(shí)系統(tǒng)功耗最低。同時(shí)對(duì)圖6(a)中最優(yōu)效率點(diǎn)附近Td1引入延遲進(jìn)行更詳細(xì)的數(shù)據(jù)仿真,最終獲得最優(yōu)死區(qū)時(shí)間Td1=20 ns,Td2=0 ns,系統(tǒng)最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率為92%。

        圖6 氮化鎵系統(tǒng)效率及器件功耗與死區(qū)時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 GaN system efficiency and Relationship of power loss and different dead-time

        6 結(jié)語

        本文通過對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用案例的引入,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間對(duì)功率器件開關(guān)過程的影響。結(jié)合GaN HEMT的開關(guān)機(jī)制,理論分析了這一極具應(yīng)用前景的Si基器件替代品與Si基器件在開關(guān)電源應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)的不同要求,引出未來GaN開關(guān)電源系統(tǒng)應(yīng)具備更精確的死區(qū)時(shí)間控制這一結(jié)論,并借助于仿真軟件對(duì)以上理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化,最終獲得了在開關(guān)頻率700 kHz、輸出電流20 A工作條件下,完成12~1.2 V轉(zhuǎn)換功能并具有92%轉(zhuǎn)換效率的GaN基Buck型開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有控制器內(nèi)部死區(qū)時(shí)間設(shè)置對(duì)于新型GaN開關(guān)電源高效應(yīng)用具有一定的負(fù)面作用,提高死區(qū)時(shí)間控制精度才能充分發(fā)揮GaN器件應(yīng)用于開關(guān)電源中的優(yōu)勢,這也將成為未來GaN開關(guān)電源系統(tǒng)研究的一個(gè)目標(biāo)。

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        [9]Efficient Power Conversion Corporaton.EPC2023 datasheet[OL].(2015-12)[2016-05].http://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2023_preliminary.pdf.

        [10]Instruments T.LM5113 datasheet[OL].(2016-01)[2016-05].http:www.ti.com/product/lm5113.

        [11]Linear Technology.LTC3833 datasheet[OL].(2010-11)[2016-05].http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3833f.pdf.

        [12]Efficient Power Conversion.EPC9101 Quick Start Guide [OL].(2013)[2016-05].http://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/ documents/guides/EPC9101_qsg.pdf.

        Analysis of Dead-time Related Loss on GaN-based Synchronous Buck Converter

        HU Guanhao,CHEN Wanjun,SHI Yijun,ZHOU Qi,ZHANG Bo
        (School of Microelectronics and Solid-State Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

        GaN-based power device is expected to be widely used in power converter system,owing to its superior characteristics of high-speed and high-efficiency,it is important that the dead-time related loss of GaN-based HEMT devices have negative impact on improving system efficiency in application of buck converter.In order to accurately assess the influence of the dead-time related loss on converter efficiency,analytical model combined with simulation results for dead-time related loss of GaN-based devices upon power converter system has been discussed and optimized in this letter.The different operating principle of buck converter system is discussed in Si-MOSFET and GaN HEMT and the mechanism of dead-time related loss is analyzed,respectively.for a converter of input voltage 12 V to output voltage 1.2 V,load current 20 A operating at a switching frequency of 700 kHz,the optimal efficiency is 92%under the conditions of Td1is 20 ns,Td2is 0 ns.

        dead-time;GaN transistor;synchronous buck converter

        胡官昊

        10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.90

        TN 86

        A

        2016-05-05 基金項(xiàng)目:國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX02308005);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61274090) Project Supported by the National Science and Technology Major Project(2013ZX02308005);the National Natural Science Foundation of Chi-na(61274090)

        胡官昊(1990-),男,碩士研究生,研究方向:功率集成電路,E-mail:hy061015 @163.com。

        陳萬軍(1978-),男,通信作者,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:功率半導(dǎo)體器件、寬禁帶功率半導(dǎo)體、功率集成電路,E-mail:wjchen@uestc.edu.cn。

        施宜軍(1990-),男,博士研究生,研究方向:新型半導(dǎo)體材料與功率器件,E-mail:syj20094870@sina.com。

        周琦(1981-),男,副教授,研究方向:氮化鎵功率器件新型結(jié)構(gòu)及制備技術(shù),E-mail:zhouqi@uestc.edu.cn。

        張波(1964-),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:新型功率半導(dǎo)體器件與功率集成,E-mail:zhangbo@uestc.edu.cn。

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