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(jīng)觀察到可以在少數(shù)幾個器件中采用高開關(guān)頻率通常工作在低開關(guān)頻率的應(yīng)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(guān)頻率的轉(zhuǎn)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(yīng)用的 DC-DC 轉(zhuǎn)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(shè)備的優(yōu)點。這是由于低輸出電容和小的關(guān)斷損耗。

表 1 顯示了基于這些規(guī)范設(shè)計的任意提議 (PWL) 發(fā)生器的規(guī)范，用于測試汽車設(shè)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(yù)算和電壓輸出紋波的硬核要求，兩級降壓轉(zhuǎn)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(guān)模式功率放大器的性能進行比較。所設(shè)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(yù)算和電壓輸出紋波的硬核要求，兩級降壓轉(zhuǎn)換器需要替代方案。

表 1：建議生成器的規(guī)格

ANPC 三電平轉(zhuǎn)換器

在硬開關(guān)下運行時，使用 GaN 器件的高頻轉(zhuǎn)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(guān)電壓的不良擊穿和過沖 。表 2 描述了轉(zhuǎn)換器允許的八種開關(guān)狀態(tài)。三電平轉(zhuǎn)換器電路如圖1所示。開關(guān)頻率的影響如圖2所示。

圖1：三電平轉(zhuǎn)換器電路圖

表 2：轉(zhuǎn)換器的開關(guān)狀態(tài)

圖 2：變頻影響

ANPC三電平轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化設(shè)計

為了正確和完整地理解和探索現(xiàn)代技術(shù)的邊界，進行了多目標（帕累托）的優(yōu)化。高功率密度轉(zhuǎn)換器的發(fā)展是由于工業(yè)研究中電力電子領(lǐng)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(guān)技術(shù)和技術(shù)參數(shù) 。圖 3 顯示了選擇標準。輸出電壓、電流和開關(guān)頻率是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器設(shè)計的基礎(chǔ)以及不同的開關(guān)頻率，以直觀地顯示轉(zhuǎn)換器功率密度和效率之間存在的權(quán)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(jié)果

該程序已用于 PWL 發(fā)生器的設(shè)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(dǎo)，進一步與強制空氣對流相結(jié)合，用于確保電源開關(guān)的安全可靠操作，并使用這種方法排出半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量 。圖 5 顯示了來自實施的 ANPC 三電平轉(zhuǎn)換器頂部的直流負載條件的計算和測量效率的開關(guān)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(jié)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(shè)計程序，對當前 GaN 技術(shù)和高頻磁性材料的局限性進行了探索。此外，它只關(guān)注給定電氣參數(shù)的功率密度。設(shè)計的電源轉(zhuǎn)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(yīng)用的磁參數(shù)來衡量。該原型具有 100W 和 1.75 MHz 的開關(guān)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