基于GaN的ANPC PWL三電平電壓發(fā)生器的設計

為了減小體積大的電感和電容元件的尺寸，激發(fā)了諸如氮化鎵高電子遷移率晶體管 (GaN E-HEMT) 之類的寬帶隙器件，并且已經觀察到可以在少數(shù)幾個器件中采用高開關頻率通常工作在低開關頻率的應用，包括功率因數(shù)校正系統(tǒng)和光伏微型逆變器。

具有高開關頻率的轉換器的效率通常通過使用 GaN 器件來提高，例如用于具有 RF 跟蹤的應用的 DC-DC 轉換器 、具有大信號和高頻的發(fā)生器 ，最后，具有低噪聲快速跟蹤電源的混合放大器 。

在涉及硬切換的操作中可以發(fā)現(xiàn)這些設備的優(yōu)點。這是由于低輸出電容和小的關斷損耗。

表 1 顯示了基于這些規(guī)范設計的任意提議 (PWL) 發(fā)生器的規(guī)范，用于測試汽車設備。該發(fā)生器必須連續(xù)提供 100W 的輸出功率，以及非常低的輸出電壓紋波 (≤ 200 μVrms)。由于有限的功率損耗預算和電壓輸出紋波的硬核要求，兩級降壓轉換器需要替代方案。參考文獻 中介紹的基準混合功率放大器用于將其性能與開關模式功率放大器的性能進行比較。所設計的系統(tǒng)在所有情況下都優(yōu)于傳統(tǒng)放大器。該發(fā)生器必須連續(xù)提供 100W 的輸出功率，以及非常低的輸出電壓紋波 (≤ 200 μVrms)。由于有限的功率損耗預算和電壓輸出紋波的硬核要求，兩級降壓轉換器需要替代方案。

表 1：建議生成器的規(guī)格

ANPC 三電平轉換器

在硬開關下運行時，使用 GaN 器件的高頻轉換器需要優(yōu)化布局以最小化寄生雜散電感。此過程可保護電源開關電壓的不良擊穿和過沖 。表 2 描述了轉換器允許的八種開關狀態(tài)。三電平轉換器電路如圖1所示。開關頻率的影響如圖2所示。

圖1：三電平轉換器電路圖

表 2：轉換器的開關狀態(tài)

圖 2：變頻影響

ANPC三電平轉換器的優(yōu)化設計

為了正確和完整地理解和探索現(xiàn)代技術的邊界，進行了多目標（帕累托）的優(yōu)化。高功率密度轉換器的發(fā)展是由于工業(yè)研究中電力電子領域的進步。帕累托最優(yōu)解的確定是通過執(zhí)行虛擬原型來完成的。這包括系統(tǒng)的變量，例如磁性材料和器件的開關技術和技術參數(shù) 。圖 3 顯示了選擇標準。輸出電壓、電流和開關頻率是轉換器中總功率損耗所依賴的變量。與 GaN 系統(tǒng)器件情況相比，EPC 器件情況下的 ?rds,on/?Vds,on 值更大。在分析了所有器件的性能后，可以看出 GS66502B 器件具有最大的優(yōu)勢 [1]。圖 4 清楚地顯示了 GS66502B 器件的帕累托圖，該器件用作轉換器設計的基礎以及不同的開關頻率，以直觀地顯示轉換器功率密度和效率之間存在的權衡的重要性。

圖 3：帕累托優(yōu)化算法

圖 4：器件和磁性對功率密度和效率的影響

實施和實驗結果

該程序已用于 PWL 發(fā)生器的設計和制造。表 4 給出了實現(xiàn)原型的硬件規(guī)格 。冷卻板作為固體冷卻劑的傳導，進一步與強制空氣對流相結合，用于確保電源開關的安全可靠操作，并使用這種方法排出半導體產生的熱量 。圖 5 顯示了來自實施的 ANPC 三電平轉換器頂部的直流負載條件的計算和測量效率的開關波形的原型和圖形表示。GaN 器件的熱像儀圖像和 PWL 發(fā)生器的性能如圖 6 所示。

圖 5：生成器的原型和圖形表示

圖 6：PWL 發(fā)生器的性能

結論

已選擇上述拓撲作為兩電平逆變器的自然延伸。借助基于多目標優(yōu)化的自動化設計程序，對當前 GaN 技術和高頻磁性材料的局限性進行了探索。此外，它只關注給定電氣參數(shù)的功率密度。設計的電源轉換器的最佳性能由 GS66502B GaN 器件和 ML91S 鐵氧體磁芯材料的器件變化和應用的磁參數(shù)來衡量。該原型具有 100W 和 1.75 MHz 的開關頻率。極薄的板材厚度使冷卻系統(tǒng)占用的空間更少，并且系統(tǒng)的熱管理是在強制空氣冷卻和冷卻系統(tǒng)的幫助下進行的。

審核編輯：劉清