一種基于GaN 器件大功率雙向DC/DC 變換器*

劉曉悅，白尚維，陳 瑞

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山063000)

近年來，隨著能源危機(jī)的爆發(fā)和地球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，能源節(jié)約和能源的高效利用引起了人們的廣泛關(guān)注，其中光能，風(fēng)能等可再生能源以及再生制動(dòng)能量的回收利用成為人們研究的熱點(diǎn)問題。在分布式能源系統(tǒng)中高壓總線的電壓往往能夠達(dá)到240 V～450 V。 但是國(guó)內(nèi)外研究關(guān)于5 kW 以上的DC/DC 變換器很少，因此，研究一種高功率雙向DC/DC 變換器很有必要。

圖1 常見的DC-DC 變換器應(yīng)用拓?fù)?/p>

雙向DC/DC 變換器按照有無電氣隔離可以分為隔離型和非隔離型，在它們之中，隔離型DC/DC 變換器是優(yōu)選的，因?yàn)樗子趯?shí)現(xiàn)電氣隔離、高頻化、小型化。 其中雙有源全橋(DAB)DC/DC 變換器更是得到了廣泛關(guān)注[1]。 全橋雙有源DC/DC 變換器是由一個(gè)高頻變壓器兩側(cè)分別連接一個(gè)全橋電路，一側(cè)全橋電路充當(dāng)逆變器，另一側(cè)則充當(dāng)整流器，實(shí)現(xiàn)了低壓側(cè)和高壓側(cè)電氣上的隔離。 控制雙有源全橋開關(guān)管之間的相移角，以實(shí)現(xiàn)零電壓開啟(ZVS)和零電流關(guān)閉(ZCS)。 這嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)換器的效率。 文獻(xiàn)[2]在高壓側(cè)引入了一個(gè)LLC 諧振電路來實(shí)現(xiàn)它。 該電路可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供軟開關(guān)，但以輸出功率為代價(jià)。 文獻(xiàn)[3]為了使變換器正反雙向?qū)ΨQ工作在低壓側(cè)也引入了諧振電感，但是導(dǎo)致低壓側(cè)輸出電流波紋較大，影響變換器的效率。 在參考文獻(xiàn)[4]中，高壓側(cè)已更改為倍壓整流電路。 這提高了電壓增益，但是開關(guān)管難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

為了解決雙有源全橋轉(zhuǎn)換器中存在的上述問題，轉(zhuǎn)換器的輸出功率需要進(jìn)一步提高，低壓側(cè)電流紋波減小。 本文設(shè)計(jì)了一種基于GaN 高頻率開關(guān)器件的大功率雙向DC/DC 變換器，通過GaN 器件的高頻化，進(jìn)一步提高了變換器的輸出功率，利用變壓器的漏感與開關(guān)管寄生電容構(gòu)成諧振電路，可以在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗。 變換器采用更少的電容器，進(jìn)一步減小了變換器的體積。 與傳統(tǒng)的DAB 相比，將交流側(cè)的電感移到直流側(cè)，減小了輸出電流波紋，降低了無功功率。 因此，此變換器具有體積小、高功率輸出、損耗小，電流紋波小，無功功率小，效率高等優(yōu)勢(shì)。 適合作為分布式能源系統(tǒng)，飛機(jī)船舶等大功率設(shè)備的電力電子轉(zhuǎn)換器。

1 工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分析

圖2 基于GaN 器件的大功率DC/DC 變換器拓?fù)?/p>

圖2 顯示了基于本文提出的GaN 器件的大功率雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 兩側(cè)的直流電源通過高頻變壓器，兩個(gè)電感器和兩個(gè)全橋電路連接，其中S1、S4為低壓側(cè)的超前臂，S2、S3為滯后臂，這四個(gè)開關(guān)管的寄生電容Cinss與變壓器的漏感Lm構(gòu)成諧振電路使低壓側(cè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZCS)，另一方面，輸入電感Lin可以與開關(guān)管的寄生電容和低壓開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通(ZVS)形成諧振電路。 零電流關(guān)斷(ZCS)提供條件，另一方面可以有效地吸收回流電流從而降低電路中的無功功率，提高變換器的效率，減少了電路的能量損耗[5]。Q1、Q4為高壓側(cè)的超前臂，Q2、Q3為高壓側(cè)的滯后臂，這四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的全橋電路在高壓側(cè)充當(dāng)整流的作用，其寄生電容與變壓器漏感構(gòu)成諧振電路，使高壓側(cè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZCS)，輸出濾波電感減小了輸出電流紋波，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 工作模式分析

取決于功率傳輸?shù)姆较颍D(zhuǎn)換器可以具有兩種工作模式，升壓模式和降壓模式。 下面將詳細(xì)分析這兩種操作模式。

1.2.1 升壓模式

在這種模式下，輸入側(cè)為低電壓VL，輸出側(cè)為高電壓VH，功率從低壓側(cè)流向高壓側(cè)。 一次側(cè)低壓電橋執(zhí)行逆變器操作，二次側(cè)高壓電橋執(zhí)行整流操作以達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓。 放電模式下的各種開關(guān)瞬間如圖3 所示。

圖3 升壓模式下脈沖以及主要波形圖

圖3 中的波形描繪了晶體管S1到D4的柵極電壓、VL和VH橋上的電壓、輸入電感的電流Iin、一次側(cè)和二次側(cè)的流過開關(guān)管的電流IS1和IQ4以及輸出電流IO。

(1)模式1(t0-t1)

一次側(cè)開關(guān)管S1，S4導(dǎo)通，IS1，IS4增加直到t1時(shí)刻達(dá)峰值，一次側(cè)電壓VL通過S1，S4和高頻變壓器原邊線圈為電感Lin充電，IL增加直到t1時(shí)刻達(dá)峰值。 高壓側(cè)開關(guān)管Q2，Q3導(dǎo)通，因此二次側(cè)電壓被鉗位到-VH。

(2)模式2(t1-t2)

初級(jí)側(cè)開關(guān)管S1，S4繼續(xù)導(dǎo)通，與高頻變壓器原邊繞組構(gòu)成環(huán)路，初級(jí)側(cè)電流經(jīng)過變壓器耦合到次級(jí)側(cè)，此時(shí)次級(jí)開關(guān)管Q2，Q3零電流關(guān)斷(ZCS)和Q1，Q4零電壓開通(ZVS)，與次級(jí)電壓VO構(gòu)成完整環(huán)路，從而變壓器次級(jí)側(cè)電壓鉗位到VH。 此時(shí)電感Lin中流過的電流持續(xù)減小，并且其儲(chǔ)存的能量在兩側(cè)的電容中流動(dòng)。

(3)模式3(t2-t3)

一次側(cè)開關(guān)管S1，S4零電流關(guān)斷，S2，S3零電壓開通，因此，一次側(cè)電壓Vin被反向鉗位到-VL，與高頻變壓器原邊繞組構(gòu)成回路。 初級(jí)電流通過高頻變壓器耦合到次級(jí)側(cè)，次級(jí)開關(guān)管Q1，Q4保持開通狀態(tài)，并與次級(jí)電壓VO形成完整環(huán)路。 此時(shí)，電感Lin電流不斷增大，儲(chǔ)能增加，同時(shí)由電容向負(fù)載R 供電。 這就完成了循環(huán)的半個(gè)周期，在t3時(shí)刻循環(huán)被重復(fù)。

變換器工作的一個(gè)重要特點(diǎn)是，由于二極管在所有晶體管的導(dǎo)通瞬間具有零電流，因此消除了由二極管反向恢復(fù)引起的損耗。

圖4 升壓模式下各個(gè)階段的等效電路圖

1.2.2 降壓模式

因?yàn)楸就負(fù)洳捎脤?duì)稱設(shè)計(jì)，其反向降壓模式與升壓模式原理相同，變換器中電壓電流波形與升壓模式相似，本節(jié)不再贅述。

最大功率傳輸是在90°移相時(shí)實(shí)現(xiàn)的，其中占空比D＝0.5。 由于所有器件都在ZVS 條件下工作，在很大的負(fù)載范圍內(nèi)都能獲得高效率。 該電路可以實(shí)現(xiàn)升壓或降壓。 升壓和降壓的轉(zhuǎn)換取決于相移。

2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 GaN 器件分析

近年來，氮化鎵(GaN)器件已成為商用器件，具有低導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)速度和在高溫度下的工作能力。 GaN 器件具有的這些優(yōu)良器件特性，對(duì)DC/DC 電源應(yīng)用有著重要的影響。 與Si 器件相比，基于GaN 器件的DC/DC 變換器是通過降低器件功率損耗、放寬熱設(shè)計(jì)和通過在更高頻率下工作以減小無源元件來提高變換器的功率效率和功率密度的。表1 顯示了具有類似電壓和電流額定值的最先進(jìn)GaN 和Si 器件的比較[6-8]。

表1 器件關(guān)鍵參數(shù)比較

GaN 器件的狀態(tài)電阻與Si 器件相當(dāng)，但寄生電容、柵電荷和反向恢復(fù)電荷要比Si 器件低得多。 結(jié)果表明，用GaN 器件代替Si 器件可以在器件導(dǎo)通損耗基本不變的情況下，顯著降低開關(guān)損耗和擴(kuò)大軟開關(guān)工作范圍[9-10]。

2.2 變換器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

DAB 轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵方程總結(jié)如下[11-12]，在高壓開關(guān)瞬間的峰值電感電流表示為:

式中:IP為峰值電感電流，TS為開關(guān)周期，L 為電感，VO為輸出電壓，d 為占空比，n 為變壓器匝數(shù)比，Vin為輸入電壓。

輸入電感電流Iin的表達(dá)式，即低壓開關(guān)瞬間電流:

從式(4)中，將整個(gè)控制范圍(0 ～1)代入占空比d，可以看出，對(duì)于0.5 的占空比，發(fā)生了最大的功率傳遞。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

使用MATLAB 軟件進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，以驗(yàn)證第2 節(jié)中設(shè)計(jì)的基于GaN 的大功率DC/DC 轉(zhuǎn)換器的性能。 本節(jié)介紹使用MATLAB 軟件的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果適用于10 kW DAB 轉(zhuǎn)換器。 圖5 顯示了轉(zhuǎn)換器的Simulink 模型。

圖5 基于GaN 的大功率DC/DC變換器Simulink 仿真模型

表2 仿真模型主要參數(shù)

圖6 軟開關(guān)仿真波形圖分析

在圖7 中，Io-1和Uo-1是傳統(tǒng)雙向DC/DC 變換器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出電流和電壓，而Io-2和Uo-2是優(yōu)化后處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出電流和電壓。 傳統(tǒng)的電流紋波約為1 A。 優(yōu)化后，電流紋波減小到0.01 A。可以看到，經(jīng)過優(yōu)化，可以有效降低DC/DC 輸出電流和電壓紋波，并可以實(shí)現(xiàn)輸出功率為10 kW 的穩(wěn)定輸出。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文描述的拓?fù)涞臏?zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了具有20 kHz 功率傳輸?shù)? kW 實(shí)驗(yàn)原型。 具體參數(shù):d ＝0.5，VH＝390 V，VL＝180 V，變壓器匝數(shù)比N＝1，耦合電感L ＝61 μH，負(fù)載R ＝5 Ω。 測(cè)量結(jié)果如圖8 所示。

圖8 顯示了全橋產(chǎn)生的電壓和變壓器電流，圖9 中顯示了高壓側(cè)GaN 的電流和電壓波形，以及電感電流和輸出電壓波形。

圖7 與傳統(tǒng)的DC/DC 相比輸出電流輸出電壓波形圖

圖8 全橋產(chǎn)生的電壓和變壓器電流

圖9 高壓側(cè)GaN 的電流，電壓波形，電感電流和輸出電壓波形

圖10 低壓側(cè)GaN 的電流和電壓波形以及輸出電流波形

圖10 顯示了低壓側(cè)GaN 的電流和電壓波形以及輸出電流波形。 低壓側(cè)GaN 電壓，電流和變壓器電壓中出現(xiàn)的振蕩是由于在器件開關(guān)瞬變期間電感器和緩沖電容器之間發(fā)生諧振。 在7 kW 時(shí)，轉(zhuǎn)換器的效率為90%。 預(yù)期的穩(wěn)態(tài)值是IP＝79.7 A，IO＝39.8 A，IL1＝40.7 A，IRM＝51.7 A，測(cè)量結(jié)果是IP＝73 A，IO＝35 A，IL1＝31 A，IRM＝47 A。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模擬結(jié)果和數(shù)學(xué)分析之間有很好的一致性。

4 結(jié)論

本文介紹了基于GaN 器件的大功率雙向DC-DC變換器并對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。 變換器已使用MATLAB 封裝建模。 它具有體積小、高功率輸出、損耗小，電流紋波小，無功功率小，效率高等優(yōu)勢(shì)。變換器獲得的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以其作為分布式能源系統(tǒng)，飛機(jī)船舶等大功率設(shè)備的電力電子轉(zhuǎn)換器具有良好的性能。