氮化鎵器件在兩相交錯并聯DC/DC變換器上的紋波抑制＊

唐剛，劉軍，黃森，徐忠良

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

氮化鎵器件在兩相交錯并聯DC/DC變換器上的紋波抑制＊

唐剛，劉軍，黃森，徐忠良

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

針對車載48/12 V變換器中存在電壓紋波較大、開關管兩端有較大尖峰電壓的問題，通過采用新器件氮化鎵和提高工作頻率的方法，實現了電壓紋波降低，抑制了開關管兩端尖峰。在詳細分析氮化鎵變換器工作原理的基礎上，進一步優化主要器件參數，實驗表明，利用氮化鎵器件設計的DC/DC變換器在電壓紋波及尖峰電壓等方面具有良好的抑制效果。

交錯并聯；氮化鎵；變換器；紋波抑制

功率半導體器件經歷近50年的發展，硅基電力電子器件已經發展到相當成熟的地步，逼近了硅材料的極限。為了進一步追求高頻率、高溫、高功率密度，越來越多的研究轉向了寬禁帶材料功率半導體器件。目前，傳統48/12 V變換器普遍存在電壓紋波過大、開關管二端有較大尖峰的問題。如果用在車載上，則空間狹小、運行環境惡劣、顛簸振動等因素，均會干擾開關管正常工作，由此可見傳統的硅基器件不能良好解決問題。

在以往的研究中，采用有源濾波與無源濾波二者相結合的辦法，實現降低電源紋波的效果，存在的不足之處是頻率較低，不能滿足大功率、高效率的應用場合；通過減小變換器輕載運行時的相數來減小電壓紋波，同時提高效率，但此方案未給出具體的相數控制方法，未達到良好的效果；通過降低頻率提高輕載效率，從而獲得全載高效率變換器方案，但低頻帶來了紋波惡化問題，限制了變換器效率優化的有效性。以上均表明采用原先的硅基半導體效果不佳，本文采用氮化鎵新器件，因氮化鎵器件具有寬禁帶（3.4 eV）、高擊穿場強（3 MV/cm），高頻率和很高的二維電子氣濃度（2.5×1013/cm2）等綜合優勢，得到了人們的認可。本文利用GaN器件具有低阻抗、高頻率、高可靠性等優良性能，再結合兩相交錯的控制方法，較好地解決了器件導通關斷時尖峰電壓和紋波較大問題。實驗表明，利用氮化鎵器件設計的DC/DC變換器在電壓紋波及尖峰電壓等方面具有良好的抑制效果。

1 兩相交錯并聯BUCK電路

車載48/12 VDC/DC變換器常采用多相交錯并聯結構，本文采用兩相交錯并聯結構，基于GaN功率器件的拓撲相同，只需要將原來器件替換，主電路無需較大改變，如圖1所示。

2 兩相交錯并聯BUCK電路的工作原理

圖1為BUCK降壓工作電路分析圖，其能量從左側Vin流向右側Vout，其拓撲結構由原來的M1與M2組成半橋降壓電路重新設計出來。有2個半橋電路相并聯構成圖1中的二相交錯并聯電路，上述工作電路圖分為4個工作模式，各個工作模式下管腳導通情況如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖1 兩相交錯并聯主電路拓撲結構

圖2 工作模式a

工作模式a中，工作區間為t0～t1，開關管M1，M2，M3，M4，工作狀態分別為關斷、導通、導通、關斷，電感L1和L2分別為放電、充電。工作模式b中，工作區間為t0～t1，開關管M1，M2，M3，M4，工作狀態分別為導通、關斷、導通、關斷，電感L1和L2分別為充電、充電。

圖3 工作模式b

圖4 工作模式c

工作模式c中，工作區間為t0～t1，開關管M1，M2，M3，M4，工作狀態分別為導通、關斷、關斷、導通，電感L1和L2分別為充電、放電。工作模式d中，工作區間為t0～t1，開關管M1，M2，M3，M4，工作狀態分別為導通、關斷、導通、關斷，電感L1和L2分別為充電、充電。

圖5 工作模式d

圖6 各個開關管驅動波形和電感的電流

各個開關管驅動波形和電感的電流如圖6所示。

3 變換器的參數設計

文中雙向DC/DC變換器設計要求為：額定輸出功率Pe=120 W，輸入電壓Ui=48 V，輸出電壓Uout=12 V，輸出電流Iout=10A。變換器電路參數包括開關元件的開關頻率、儲能電感值、輸出濾波電容值。

3.1 開關頻率fsw的選擇

從硅基材料開關管頻率范圍在200 kHz以下，常采用的頻率為100 kHz，而新器件氮化鎵頻率范圍高于500 kHz，因此，由材料性能決定，氮化鎵器件選為fsw=500 kHz，與原先的硅基開關管頻率為100 kHz作比較，頻率的提高有減小紋波，抑制了電壓尖峰的作用。

3.2 電感L的設計

根據設計要求，原電感電流紋波率r選為0.4，即最大電感波紋電流△IL=4A，D=1/4，等效回路電阻R忽略不計，電感計算公式為：

現利用氮化鎵高頻率特性，取值電感電流紋波率r選為0.1，即最大電感波紋電流△IL=1A，D=1/4，等效回路電阻R很小忽略不計，電感計算公式為：

基于以上二者比較，得出了氮化鎵器件，不僅提高了工作頻率，還降低了紋波系數和電感值。

3.3 輸入輸出電容C1和C2的設計

根據設計要求，輸入、輸出電壓紋波系數應小于1%，可得輸入輸出電壓波動量△Ui=0.48 V，△Uout=0.12 V。由電容C的充、放電電荷守恒原理可知，在fsw=100 kHz，計算C值大小滿足：

通過計算可知，提高頻率可以減小輸入輸出電容取值。

4 樣機測試及結果分析

根據前面計算數據，在此處對2臺額定功率均為120 W的BUCK變換器樣機并進行實際測量分析，1臺開關管為硅基MOSFET，另一臺為新器件氮化鎵功率開關管。樣機的輸入電壓Ui=48 V，輸出電壓Uout=12 V，輸出電流Iout=10A，電感值L1=L2=10 uH，Cin=50 μF/10 V，Cout=10 μF/10 V。

圖7為在器件MOSEFT時測得輸出電壓波形，紋波系數大于設計要求。圖8是新器件氮化鎵頻率在500 kHz的輸出電壓紋波，紋波系數明顯小于設定范圍，紋波得到抑制。

圖9為硅基MOSFET器件工作在100 kHz時兩端電壓的波形，從圖9形中明顯看出在開關管導通或者關斷時有尖峰存在。

圖7 MOSEFT器件時輸出電壓波形

圖8 GaN器件時輸出電壓波形

圖9 MOS兩端尖峰電壓

圖10 GaN時兩端尖峰電壓

圖10是氮化鎵器件新器件工作在500 kHz時的兩端電壓波形，從圖10中可知開關管在導通和關斷瞬間產生的尖峰電壓不明顯，得到抑制。

5 結束語

本文對新材料氮化鎵器件的特性進行了簡單介紹，詳細分析了該變換器的工作原理，對各參數進行了優化計算，并與以前參數設計值作了比較，參數得到優化。通過實際測得，在高頻率500 kHz條件下，氮化鎵新器件具有良好的性能，器件兩端的尖峰得到很好抑制。輸出電壓紋波達到理想效果，符合設計要求，對紋波的抑制起到了作用。

［1］劉方霆，王永攀，朱忠尼，等.兩路交錯并聯DC_DC變換器軟開關自適應控制策略研究［J］.電力電子，2013（03）.

［2］夏超英，劉奎，郭熠.電動汽車用全數字雙向DC/DC變換器的實現［J］.電力電子技術，2006（02）.

TN624

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.038

2095-6835（2017）15-0038-03

唐剛（1996—），男，河南鄧州人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。劉軍（1965—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為電力電子、電機驅動控制等。黃森（1992—），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。徐忠良（1990—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為電機與電器。

〔編輯：張思楠〕

上海電機學院登峰學科建設項目（編號：15DFХK01）