基于氮化鎵逆變器建模損耗的原因及考慮因素

文章摘要

本文研究了四個(gè)經(jīng)常被忽略的因素對(duì)基于GaN的全橋逆變器損耗模型的影響：器件的寄生電容、時(shí)變功耗（Ploss）下的結(jié)溫度（Tj ）動(dòng)力學(xué)、殼溫度估計(jì)以及對(duì)無源元件的詳細(xì)考慮。提出并實(shí)施了考慮上述因素的換流器損耗計(jì)算模型。

采用氮化鎵高電子遷移率晶體管的4.5kW硬開關(guān)逆變器原型，實(shí)驗(yàn)證明了各因素對(duì)逆變器損耗模型的影響。在低負(fù)荷條件下，逆變器損耗模型的精度主要受無源組件的影響，而隨著輸出功率的增加，有源組件的熱模型和損耗模型成為主要因素。

結(jié)果表明，考慮上述因素后，在重載（Po = 4.5 kW）下，計(jì)算和測(cè)量的轉(zhuǎn)換器損失差異從30.6 W（28%）減少到2.5W（小于3%)，而在輕負(fù)載（Po = 500 W）下，從3.9 W（28%）降低到2.6 W（16%）。此外，氮化鎵器件的模擬和測(cè)量的外殼溫度差在6°C以內(nèi)。

主要工作與貢獻(xiàn)

（1）基于基礎(chǔ)的損耗模型，通過迭代殼溫的方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，并考慮了有源與無源組件對(duì)損耗的影響。

（2）提出基于RC網(wǎng)絡(luò)模型的時(shí)變功率變化對(duì)各節(jié)點(diǎn)溫度的影響。

（3）低功率下?lián)p耗模型精度主要受無源組件的影響，但隨著功率的上升，有源組件的影響成為主要因素。

主要研究?jī)?nèi)容

基于器件參數(shù)表及雙脈沖測(cè)試平臺(tái)得到的基礎(chǔ)損耗模型如圖1所示，在此基礎(chǔ)上提出迭代模型如圖2所示，對(duì)器件的殼溫值進(jìn)行優(yōu)化，在3次迭代內(nèi)器件的殼溫均趨于穩(wěn)定。

隨后討論各有源無源因素對(duì)損耗分布的影響，結(jié)果如圖3所示，低功率下無源組件對(duì)損耗影響較大，但隨著損耗的上升，有源因素逐漸成為影響損耗的主要因素。

(a) ig=20 mA時(shí)，不同漏極電流和連接溫度下GIT的導(dǎo)通電阻

(b) 在反向?qū)ㄟ^程中，Vds和id之間的關(guān)系

(c) 不同溫度和漏源電壓下開關(guān)損耗的曲線擬合

圖1 基礎(chǔ)損耗模型

圖2 迭代模型

圖3 各有源無源因素對(duì)損耗分布的影響

結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了逆變器損耗計(jì)算中的幾個(gè)因素和考慮因素。這些因素包括寄生電容的影響、由時(shí)變功率損失引起的結(jié)溫度的動(dòng)力學(xué)、殼溫度的估計(jì)，以及對(duì)濾波器損失的詳細(xì)考慮。在低負(fù)荷和高負(fù)荷條件下，每個(gè)因素的影響都被量化了。

結(jié)果表明，在低負(fù)荷條件下，電感損耗是造成損耗差異的主要因素，而器件損耗和熱模型隨著負(fù)荷的增加而變得更加重要。

此外，還詳細(xì)介紹了每個(gè)因素的實(shí)現(xiàn)，包括方程和仿真設(shè)置。提出并實(shí)現(xiàn)了一種計(jì)算時(shí)變功耗和結(jié)溫度的方法。與基本損失模型相比，高負(fù)荷下測(cè)量和計(jì)算的損失差異從28%降低到了3%以下，低負(fù)荷下的損失差異從28%降低到了16%。

此外，氮化鎵器件在測(cè)量和估計(jì)中的情況溫度在6°C以內(nèi)。該方法和結(jié)果使基于GaN的轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確。

閱讀心得

本文主要對(duì)基礎(chǔ)損耗模型進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，詳細(xì)考慮了各主要影響因素在不同功率下對(duì)損耗的影響能力，且通過使用MATLAB及COMSOL進(jìn)行迭代，給出了一種數(shù)據(jù)分析及仿真軟件相結(jié)合的處理問題的思路，這對(duì)我們接下來工作的研究方法的選用具有一定的指導(dǎo)意義，且詳細(xì)介紹了各類損耗的權(quán)重，在器件的損耗計(jì)算方面幫助我們開拓了新思路。