高效率氮化镓隔离直流电源的设计与研究

作     者：邱凯 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾鹏宇;康庆

授予年度：2024年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：双有源桥串联谐振变换器 氮化镓功率器件 时域模型 变频控制 移相控制 

摘      要：作为第三代宽禁带半导体功率器件的代表,氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN High Electron Mobility Transistors,GaN HEMT）相比于传统的硅（Silicon,Si）器件具有更低的导通电阻、更高的工作频率以及更小的封装体积,将GaN HEMT应用在电力电子变换器中,能够有效的提高变换器的功率密度和效率。 双有源桥串联谐振变换器（Dual Active Bridge Series Resonant Converter,DAB-SRC）因其电路结构简单、能够实现自然同步整流等特点得到了广泛的应用。本文以基于增强型GaN HEMT的双向DAB-SRC变换器拓扑为依托,展开以下研究: （1）依据时域（Time Domain,TD）建模方法,采用归一化频率（f_n）和原副边移相角（?）作为控制变量,推导得出了变换器增益表达式的时域解析解,并给出了软开关区域的判定表达式,同时建立了损耗模型。 （2）针对DAB-SRC提出了一种变频移相控制方法。该方法在软开关区域内设计了一种线性函数:将归一化频率（f_n）设计为与品质因数（Q）相关的线性函数,而移相角（?）作为控制变量通过闭环反馈来实现对输出的控制。在任何单向功率流情况下,控制系统只需要检测三个常规的反馈变量即可进行闭环控制,且可以保证变换器始终运行在软开关区域内。本文通过搭建一台1.2k W实验样机验证了所提出控制策略的可行性与正确性。 （3）为了改善变换器的动态性能,采用前馈控制算法:采用时域模型中移相角的解析解作为前馈量,辅助比例积分补偿器进行闭环调节。该方法有效地减少了负载阶跃过程中的电压超调和恢复时间,提高了变换器的动态响应速度,并通过实验验证了前馈控制算法的有效性和正确性。 （4）为了进一步扩大极轻载工况下的软开关区域、同时减小开关频率的范围,本文提出了一种变频移相结合定频移相的混合控制策略。对于DAB-SRC而言,在轻载工况时,微小的关断电流会导致开关管结电容的充放电时间很长,难以实现软开关。为了扩大轻载工况的软开关范围,可以采用极高的开关频率通过增加谐波分量使关断电流增大,从而使开关管在死区时间内完成换流、以及对于开关管结电容的充放电,进而实现软开关。然而,这种方法往往导致极宽的开关频率范围、增加了变压器设计的复杂度。为了进一步扩大极轻载工况下的软开关区域、同时减小开关频率的范围,在不增加器件个数的情况下,本文考虑了励磁电感和变压器变比对软开关区域的影响,对应的提出了一种混合控制策略及主电路参数设计方法。本文通过搭建第二台1.2k W实验样机验证了所提出控制策略的可行性与正确性。 （5）增强型GaN HEMT在反向续流时呈现较高的导通压降,因此GaN HEMT的损耗很大程度上取决于死区时间与关断电流的影响。本文以所提出的两种控制策略作为实施手段,以两套1.2k W双向DAB-SRC实验样机作为实施对象,分别分析、比较并验证了在相同输入、输出、功率等级条件下,关断电流、死区时间对于增强型GaN HEMT的影响,并给出了控制策略的选择思路。