基于GaN HEMT的MHz LLC直流变压器的设计*

为实现母线变换器的高效率和高功率密度,应用GaN HEMT将LLC-DCX的开关频率提高到1 MHz,在提高了变换器的功率密度的同时,实现了较高的转换效率.在介绍LLC谐振变换器的工作原理和特性的基础上,优化设计了LLC谐振变换器的谐振参数和平面变压器结构,最后研制出一台1 kW、1 MHz,额定270 V(230～400 V)输入,额定28 V输出的LLC-DCX实验样机,其峰值效率为97.57％,功率密度高达18.89 W/cm3.实验结果验证了该方案的合理性与可行性.     

PFC高频整流器控制原理与控制策略的研究

通过对ＰＦＣ高频整流器相量关系的详细分析,推导出了调制信号的调制深度与移相角之间的解耦方法,并在此基础上提出了一种解耦控制策略,最后给出了仿真分析和实验结果。     

基于PWM整流器的弧焊逆变电源的PFC技术

针对三相弧焊逆变电源功率因数校正技术特点，提出了基于PWM整流器的弧焊逆变电源PFC的新方案，并对PWM整流器模型进行了分析和研究，通过仿真和实验验证了所提方案应用于弧焊逆变电源PFC技术的可行性。     

基于单周期控制的通用三相PFC控制器的研究

分析了具有串联升压拓扑结构的三相boost整流器,提出了一种基于单周期控制技术的三相PFC控制器,它可以实现单位功率因数和低电流畸变.该控制器不需要乘法器,控制方法简单、可靠,而且在任意时刻只有两个开关管工作在高频状态,所以开关损耗降到了最低程度.最后给出了试验结果.     

一种适用于GaN器件的谐振驱动电路

针对氮化镓(GaN)器件,传统的驱动电路是电压源型驱动,在高频下充放电回路中的寄生电感会引起栅源电压振荡,超过GaN器件的栅源耐压值,损坏GaN器件。采用谐振驱动(RGD)电路是解决上述传统驱动存在的问题的有效途径之一,利用LC谐振,在GaN器件开通和关断时提供一条低阻抗箝位路径,减小栅源电压的振荡,提供一个稳定的栅源电压。详细分析了RGD电路的工作原理,同时设计制作了1 MHz的Boost变换器原理样机,并给出了实验结果。     

Cascode GaN高电子迁移率晶体管高频驱动电路及损耗分析

为了减小氮化镓驱动电路高频工作时的损耗,针对共栅共源氮化镓高电子迁移率晶体管(Cascode GaN HEMT)提出一种高频谐振驱动电路,采用储能元件替代传统驱动电路中的耗能元件,电感电流为GaN器件栅极电容充/放电,有源密勒钳位电路抑制桥臂串扰.该文重点研究高频谐振驱动电路的工作模态,对电路损耗进行详细分析,给出电感取值的选取原则,并利用PSIM软件对电路进行仿真.最终搭建实验平台对电路的性能进行测试.结果表明,电感为电容充/放电提供低阻抗通路,能有效减小GaN器件驱动电路的电压振荡,明显降低驱动电路的损耗.仿真和实验同时证明了所提出的电路具有较好的性能.     

基于神经网络PSD算法的GaN器件变流器控制系统设计

伴随电力电子技术在环保节能、智能电网中的应用,高压大功率的电力电子设备得到大力推广。GaN器件变流器因其特殊的控制性能变成大功率、高压化控制的核心。设计了一种基于神经网络PSD算法的GaN器件变流器控制系统。当GaN器件变流器出现异常后,系统中故障信息采集模块能够高效采集GaN器件变流器异常信息并传输至自适应控制模块,自适应控制模块采用神经网络PSD算法,实现GaN器件变流器自适应控制。仿真结果表明：所设计系统对GaN器件变流器的功率、直流电流、环流以及电容电压可实现高精度控制,且该系统控制下交流器输出电压质量佳,相间短路、两相接地短路故障率得以降低,运行效率高。     

基于GaN FETs的高频半桥谐振变换器分析与设计

随着Si材料半导体器件性能逐步达到瓶颈,宽禁带半导体器件(GaN、SiC)在诸多方面展现出了很好的性能,如低导通阻抗,小输入、输出电容等,这些特性使得GaN和SiC器件能够应用在更高的开关频率条件,从而提高系统的功率密度。针对基于GaN FETs构成的高频半桥谐振变换器进行设计,分析了高频条件下寄生电感参数对系统驱动电压及漏源极电压的影响,同时分析了高频条件下系统电压电流测量所需注意的事项及影响因素,为高频条件下GaN FETs的应用提供一定的帮助。     

基于LLC的隔离型PFC设计与控制

隔离型PFC可在一级变换中实现AC-DC变换和电气隔离,具有电路简单、成本低的优点,且有望实现高效率和高功率密度。研究了一种基于LLC的软开关型隔离型PFC,提出了一种参数设计方法,在参数设计满足一定条件时,LLC电路在整个工频周期中的增益都能满足PFC的需求。据此,提出了一种具有前馈的双环控制方法。搭建了一台6.6kW的试验样机,在全范围实现了软开关,谐波失真小,峰值效率可达96.0%以上。     

600 V耗尽型GaN功率器件栅极驱动方案设计

介绍了一种适用于600 V耗尽型氮化镓GaN(gallium nitride)器件的栅极驱动策略以及对应的驱动电路,并分析了采用耗尽型GaN功率器件的原因。驱动电路在功率管开启过程的2个阶段采用2种驱动强度的电流,在减小功率管开启过程中dv/dt的同时,保证功率管的开启速度。基于0.35μm BCD工艺对电路进行仿真验证,结果表明:在600 V输入电压的半桥驱动应用下,驱动电路在GaN功率器件阈值电压前提供700 mA驱动电流,达到阈值电压后提供190 mA稳定驱动电流,开关节点的dv/dt为150 V/ns,传输延迟加开启延迟为20 ns。     

基于GaN HEMT的半桥LLC优化设计和损耗分析

较之于传统硅器件,新出现的增强型氮化镓晶体管GaN HEMTs(gallium nitride high electron mobility transistors)具有很高的开关速度和高功率密度的特性,可以为直流变换器提供有效的改进。为了解决GaN HEMT在硬开关应用场合下的波形振荡并提高功率密度和效率,采用半桥LLC谐振变换器为本次应用的拓扑结构。以减小损耗为目的,优化了LLC的谐振参数和死区时间。在400 V输入电压、开关频率300 kHz和输出电压18 V电流12 A的测试条件下,效率达到95.59%。最后对变换器的损耗来源进行分析,损耗的理论计算值接近实际测量值,证明了方法具有一定的实用性。     

GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件因其出色的导通与开关特性,能够实现系统高频化与小型化,有效提升系统功率密度。但是,增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题,使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此,提出一种预驱动芯片,通过片内集成LDO与电平移位结构,实现兼容12～15 V输入,并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制,达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外,通过多芯片合封技术,将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成,降低了寄生电感,使其应用可靠性进一步提升。     

级联结构氮化镓功率器件及其在无线电能传输系统中的应用

为了进一步提升电能转换效率,介绍了一款基于650 V氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility transistor)的共栅共源级联(cascode)结构开关管及其在无线电能传输方面的应用。在GaN HEMT器件设计方面,通过仿真讨论了器件的场板设计对电容和电场的影响。所制造的cascode器件在650 V时漏电约为2μA,在源漏电压400 V时输入电容C_(iss)、输出电容C_(oss)和反向传输电容C_(rss)分别为1 500 pF、32 pF和12 pF,动态导通电阻升高约16%。基于该款cascode器件设计并展示了一款240～320 kHz、满载功率1 kW的无线充电样机,在200～1 000 W负载范围内效率明显高于Si器件,最高效率超过95%。     

应用GaN HEMT的宽输入堆叠半桥LLC变换器设计

对于航天发射系统中的地面支持设备与特种重型车辆,锂电池组等新兴供电单元的应用使得车辆母线电压不断提高。这种电压提升在提高电池组充放电速度的同时,也对辅助电源的输入电压范围提出了更宽的要求。同时,为了提高电源开关频率与设备效率,将氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT（gallium nitride high electron mobility transistor）器件引入到LLC变换器设计中。为有效解决GaN HEMT耐压带来的应用限制,使用堆叠半桥三电平拓扑实现器件分压。通过PSIM进行仿真验证,证明该拓扑的设计有效性。最终制作2 kW的实物样机,实现400～800 V电压输入与25～40 V电压输出,峰值功率达到93.89%。     

垂直结构氮化镓功率晶体管的材料与工艺问题

硅功率器件已接近其理论物理性能的极限。基于宽禁带半导体材料的电力电子系统能够实现更高的功率密度和电能转换效率,而具有高临界电场和载流子迁移率的氮化镓被认为是未来高功率、高频和高温应用的最有希望的候选者之一,而由品质因子给出的氮化镓基功率器件的综合性能具有大于1 000倍于硅器件的理论极限。目前已产业化的氮化镓功率晶体管主要基于水平结构,但垂直结构更有利于实现更高电压和更大电流。随着氮化镓衬底材料的逐渐成熟,近期垂直结构氮化镓功率器件成为了学术界和产业界的研究热点,并被认为是下一代650～3 300 V电力电子应用的候选器件。基于此,回顾了垂直结构氮化镓晶体管的最新进展,特别是与器件相关的材料和工艺问题,并总结了开发高性能垂直结构氮化镓功率晶体管的主要挑战。     

单周期控制PWM整流器的研究

单周期控制(OCC)具有抗电源扰动能力强、动态响应快、鲁棒性强、恒频控制等优点,而被广泛应用在各类变换器中.单周期控制PWM整流器与传统控制PWM整流器相比,不需要检测输入电压、不需要锁相环电路和其它同步电路,只需检测输入电流和输出电压,用模拟器件就可实现控制策略.具有电路简单、成本低、可靠性高等优点.提出基于单周期控制单相PWM整流器,理论和仿真实验证明控制策略的有效性和实用性,实现了变换器的输入端单位功率因数.     

基于NCP1605G的大功率LED驱动电源的PFC电路设计

为了控制谐波对电网的污染,大功率LED驱动电源中有必要增加PFC模块。采用有源PFC工作原理实现了一种升压型变换器模块,并将功率因数控制器NCP1605G应用于一款大功率LED驱动电源的PFC级电路设计中。实验结果表明该变换器的输出电压稳定度高,功率因数达到0.9以上。     

一种高效率的无桥Boost PFC拓扑的研究

在大功率应用时,传统的Boost PFC电路的整流桥损耗成为整个开关电源的主要损耗之一。无需整流桥的新拓扑更具效率优势。Dual Boost PFC(DBPFC)即为一种适用于大功率的无桥PFC拓扑。本文在与传统Boost PFC对比的基础上详细分析了DB- PFC的损耗情况,通过计算及实验证明了DBPFC效率比传统Boost PFC提高1个百分点左右。功率越大效率优势越明显。本文还对DBPFC的控制方法作了改进,减小了驱动损耗。