基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器的设计与仿真

刘晓悦，白尚维，陈瑞

(华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063210)

近年来，随着能源危机的爆发和环境的不断恶化，能源节约和清洁能源的高效利用引起了人们的广泛关注，其中光能、风能等可再生能源以及再生制动能量的回收利用成为人们研究的热点问题。在分布式能源系统中高压总线的电压往往能够达到240～450 V。但是国内外研究关于5 kW以上的DC/DC变换器很少，因此，研究一种高功率双向DC/DC变换器很有必要。

图1为常见的DC/DC变换器应用拓扑。双向DC/DC变换器按照有无电气隔离可以分为隔离型和非隔离型，在它们之中，隔离型DC/DC变换器是优选的，因为它易于实现电气隔离、高频化、小型化。其中双有源全桥(DAB)DC/DC变换器更是得到了广泛关注[1]。全桥双有源DC/DC变换器是由一个高频变压器两侧分别连接一个全桥电路组成，一侧全桥电路充当逆变器，另一侧则充当整流器，实现了低压侧和高压侧电气上的隔离。控制双有源全桥开关管之间的相移角，以实现零电压开启(ZVS)和零电流关闭(ZCS)。这严重影响了变换器的效率。文献[2]在高压侧引入了一个LLC谐振电路来实现它。该电路可在整个负载范围内提供软开关，但以输出功率为代价。文献[3]为了使变换器正反双向对称工作在低压侧也引入了谐振电感，但是导致低压侧输出电流波纹较大，影响变换器的效率。在参考文献[4]中，高压侧已更改为倍压整流电路。这提高了电压增益，但是开关管难以实现软开关。

图1 常见的DC/DC变换器应用拓扑

为了解决双有源全桥变换器中存在的上述问题，变换器的输出功率进一步提高，低压侧电流纹波更小。本文设计了一种基于GaN高频率开关器件的大功率双向DC/DC变换器，通过GaN器件的高频化，进一步提高了变换器的输出功率，利用变压器的漏感与开关管寄生电容构成谐振电路，可以在轻负载条件下实现软开关，减小了开关损耗。变换器采用更少的电容器，进一步减小了变换器的体积。与传统的DAB相比将交流侧的电感移到直流侧，减小了输出电流波纹，降低了无功功率。因此，此变换器具有体积小、高功率输出、损耗小、电流纹波小、无功功率小、效率高等优势，适合作为分布式能源系统、飞机船舶等大功率设备的电力电子变换器。

1 工作原理

1.1 拓扑结构与分析

图2显示了基于本文提出的GaN器件的大功率双向DC/DC变换器。两侧的直流电源通过高频变压器、两个电感器和两个全桥电路连接，其中S1、S4为低压侧的超前臂，S2、S3为滞后臂，这四个开关管的寄生电容Cinss与变压器的漏感Lm构成谐振电路，使低压侧开关管实现零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。另一方面，输入电感Lin可以与开关管的寄生电容和低压开关管的零电压导通(ZVS)形成谐振电路，为零电流关断(ZCS)提供条件，有效地吸收回流电流从而降低电路中的无功功率，提高变换器的效率，减少电路的能量损耗[5]。Q1、Q4为高压侧的超前臂，Q2、Q3为高压侧的滞后臂，这四个开关管构成的全桥电路在高压侧充当整流的作用，其寄生电容与变压器漏感构成谐振电路，使高压侧开关管实现零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，输出滤波电感减小了输出电流纹波，提高了系统的稳定性。

图2 基于GaN器件的大功率DC/DC变换器拓扑

1.2 工作模式分析

取决于功率传输的方向，变换器可以具有两种工作模式，升压模式和降压模式。下面将详细分析这两种操作模式。

1.2.1 升压模式

在这种模式下，输入侧为低电压VL，输出侧为高电压VH，功率从低压侧流向高压侧。一次侧低压电桥执行逆变器操作，二次侧高压电桥执行整流操作以达到稳定的输出电压。放电模式下的各种开关瞬间如图3所示。图3中的波形描绘了晶体管 S1到 Q4的栅极电压(用VS1和VQ4表示)、VL和VH桥上的电压、输入电感的电流Iin、一次侧和二次侧流过开关管的电流IS1和IQ4以及输出电流IO。图4是升压模式下各个阶段的等效电路图。

图3 升压模式下脉冲以及主要波形图

图4 升压模式下各个阶段的等效电路图

(1)模式1(t0-t1)

一次侧开关管 S1、S4导通，IS1、IS4增加直到t1时刻达峰值，一次侧电压VL通过S1、S4和高频变压器原边线圈为电感Lin充电，IL增加直到t1时刻达峰值。高压侧开关管Q2、Q3导通，因此二次侧电压被钳位到-VH。

(2)模式2(t1-t2)

初级侧开关管S1、S4继续导通，与高频变压器原边绕组构成环路，初级侧电流经过变压器耦合到次级侧，此时次级开关管 Q2、Q3零电流关断(ZCS)和 Q1、Q4零电压开通(ZVS)，与次级电压VO构成完整环路，从而钳位了变压器次级侧电压到VH。此时电感Lin中流过的电流持续减小，并且其储存的能量在两侧的电容中流动。

(3)模式3(t2-t3)

一次侧开关管 S1、S4零电流关断，S2、S3零电压开通，因此，一次侧电压Vin被反向钳位到-VL，与高频变压器原边绕组构成回路。初级电流通过高频变压器耦合到次级侧，次级开关管Q1、Q4保持开通状态，并与次级电压VO形成完整环路。此时，电感Lin电流不断增大，储能增加，同时由电容向负载R供电。这就完成了循环的半个周期，在t3时刻循环被重复。

变换器工作的一个重要特点是，由于二极管在所有晶体管的导通瞬间具有零电流，因此消除了由二极管反向恢复引起的损耗。

1.2.2 降压模式

因为本拓扑采用对称设计，其反向降压模式与升压模式原理相同，变换器中电压电流波形与升压模式相似，本节不再赘述。

最大功率传输是在90°移相时实现的，其中占空比d=0.5。由于所有器件都在ZVS条件下工作，在很大的负载范围内都能获得高效率。该电路可以实现升压或降压。升压和降压的转换取决于相移。

2 主电路参数设计

2.1 GaN器件分析

近年来，氮化镓(GaN)器件已成为商用器件，具有低导通电阻、快速开关速度和在高温度下的工作能力。GaN器件具有的这些优良器件特性，对DC/DC电源应用有着重要的影响。与Si器件相比，基于GaN器件的DC/DC变换器是通过降低器件功率损耗、放宽热设计和通过在更高频率下工作以减小无源元件来提高变换器的功率效率和功率密度的。

GaN器件的状态电阻与Si器件相当，但寄生电容、栅电荷和反向恢复电荷要比Si器件低得多。结果表明，用GaN器件代替Si器件可以在器件导通损耗基本不变的情况下，显著降低开关损耗和扩大软开关工作范围[6]。

2.2 变换器关键参数设计

3 仿真和实验验证

3.1 仿真验证

使用MATLAB软件进行了详细的仿真，以验证第2节中设计的基于GaN的大功率DC/DC变换器的性能。本节介绍使用MATLAB软件的仿真结果。仿真结果适用于10 kW DAB变换器。图5显示了变换器的Simulink模型。

图中，Vin为输入电压，Lin为输入电感，S1～S4为一次侧GaN器件，T为高频变压器，Q1～Q4为二次侧GaN器件，LO为输出电感，R为负载。本仿真模型针对轻载下进行建模仿真，负载仅有3 W。其中仿真模型主要参数如表1所示。

图5 基于GaN的大功率DC/DC变换器Simulink仿真模型

表1 仿真模型主要参数

MATLAB仿真显示了变换器升压模式的主脉冲和主波形，如图6所示。这基本上与理论分析的波形相一致。

图7显示了四个开关管的仿真结果。从该图可以看出，变换器的每个开关管在轻载时都可以实现零电压接通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，减少了开关损耗。

在图8中，Io-1和Uo-1是传统双向DC/DC变换器处于稳定状态时的输出电流和电压，而Io-2和Uo-2是优化后处于稳态时的输出电流和电压。传统的电流纹波约为1 A。优化后，电流纹波减小到0.01 A。可以看到，经过优化，可以有效降低DC/DC输出电流和电压纹波，并可以实现输出功率为10 kW的稳定输出。

3.2 实验验证

为了验证本文描述的拓扑的准确性，我们设计了具有50 kHz功率传输的10 kW实验原型。具体参数：d=0.5，VH=300 V，VL=60 V，变压器匝数比n=0.2∶1，耦合电感L=61 μH，负载R=3 Ω。测量结果如图9～11所示。图9显示了全桥产生的电压和变压器电流。图10显示了高压侧GaN的电流和电压波形，以及电感电流和输出电压波形。

图11显示了低压侧GaN的电流和电压波形以及输出电流波形。低压侧GaN电压，电流和变压器电压中出现的振荡是由于在器件开关瞬变期间电感器和缓冲电容器之间发生谐振。在10 kW时，变换器的效率为93%。预期的稳态值是IP=64.3 A，IO=35.6 A，IL1=27 A，IRM=30 A，测量结果是IP=60 A，IO=34 A，IL1=31 A，IRM=29 A。实验结果、模拟结果和数学分析之间有很好的一致性。

4 结论

图6 升压模式下脉冲以及主要波形图

图7 软开关仿真波形图分析

图8 与传统的DC/DC相比输出电流输出电压波形图

本文介绍了基于GaN器件的大功率双向DC-DC变换器并对其性能进行了验证。它具有体积小、高功率输出、损耗小，电流纹波小，无功功率小，效率高等优势。10kW DC/DC变换器获得的仿真和实验结果验证了以其作为分布式能源系统、飞机船舶等大功率设备的电力电子变换器具有良好的性能。

图9 全桥产生的电压和变压器电流

图10 高压侧GaN的电流、电压波形，电感电流和输出电压波形

图11 低压侧GaN的电流和电压波形以及输出电流波形