基于GaN器件的有源箝位双向反激变换器设计_史永胜.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20210924修改日期:20211209Design of Active Clamp Bidirectional Flyback ConverterBased on GaN TransistorSHI Yongsheng1*，LI Jin1，ZHANG Yaozhong2(1School of Electrical and Control Engineering，Shaanxi University of Science Technology，Xi an Shaanxi 710021，China;2Economic and Technological esearch Institute of State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou Gansu 730050，China)Abstract:The application of Gallium Nitride(GaN)power transistor in bidirectional DCDC converter is designed In recent years，GaN，the third generation of wide band gap power semiconductor devices，has attracted extensive attention in power electronics applica-tions due to its advantages of small size，high frequency and high efficiency For the two-way DCDC converter to achieve bidirectionalenergy efficient transmission under portable small power application scenarios，an active clamp bi-directional flyback converter based onGaN devices is designed，and its performance is tested The working principle of the converter，switch mode，and the condition to realizesoft switch are introduced in detail and analyzed，and the main circuit parameters are designed LTspice software is used to build thesimulation model，and the simulation results verify that the converter can achieve the performance of soft switching tube under low powerapplication Finally，a 20 W experimental prototype is designed to verify the accuracy and effectiveness of the designed topology，whichhas higher conversion efficiency than the traditional Si MOSFET deviceKey words:GaN transistor;power electronics;transfer efficiency;soft switchingEEACC:1210;1290B;2520doi:103969/jissn10059490202301025基于 GaN 器件的有源箝位双向反激变换器设计史永胜1*，李锦1，张耀忠2(1陕西科技大学电气与控制工程学院，西安 710021;2国网甘肃省电力公司经济技术研究院，兰州 730050)摘要:文章针对氮化镓(Gallium Nitride，GaN)功率晶体管在双向 DCDC 变换器中的应用进行设计。近年来，第三代宽禁带功率半导体器件 GaN 凭借其体积小、高频、高效率等优势，在电力电子应用中得到了广泛的关注。为实现双向 DCDC 变换器在便携式小功率应用场景下的能量双向高效传输，设计了一种基于 GaN 器件的有源箝位双向反激变换器并对其性能进行了验证。详细地介绍和分析了变换器的工作原理、开关模态以及软开关实现条件，并对主电路参数进行设计。采用 LTspice 软件搭建仿真模型，仿真结果验证了该变换器在小功率应用下可实现开关管软开关性能。最后，设计了一个 20 W 的实验样机验证了所设计拓扑的准确性和有效性，结果表明该变换器较传统 Si MOSFET 器件具有更高的转换效率。关键词:GaN 晶体管;电力电子;转换效率;软开关中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01014307近年来，高频、高效率条件下的双向隔离型变换器在功率变换系统、储能系统和电力电子变压器等方面受到了广泛关注12。其中有源箝位双向反激变换器由于结构对称、成本低和容易实现软开关等优势，有效解决了传统反激式拓扑在功率开关管关断时由于漏感原因所引起的电压尖峰问题，降低了反激电路中的开关损耗35，成为小功率应用领域的热点。对于任何电力电子装置来说，开关器件的特性在很大程度上决定着其工作频率大小和功率水平的上限程度。目前使用最广泛的硅材料半导体器件6 因其导通电阻和寄生电容较大，且因自身体二极管的存在，在提高开关频率的同时，损耗会随之增大，制约着变换器朝着更低导通损耗、更高转换效率以及更高开关频率方向发展78。与传统的硅基器件相比，具备宽禁带优势的第三代功率半导体器件氮化镓(GaN)凭借其器件尺寸小、开关速度快、损耗小、耐高压、耐高温等优点，在高频、高效率电力电子应用中脱颖而出911。图 1 所示为GaN 和 Si 在功率半导体中的性能比较。由此可知，宽禁带半导体器件 GaN 的导通电阻和开关损耗要低于同等电压、电流应力的 Si 器件，在实现高效率、高开关频率等方面，具有很好的优越性1213。因此，将 GaN 器件和开关拓扑结合研究具有重要意义。文献 14 分析了几种基于 GaN 的转换器，电子器件第 46 卷图 1Si 和 GaN 在功率半导体中的性能比较但没有实现开关频率的增加;李媛等人15 将 GaN器件应用于 LLC 谐振变换器中，通过设计实验样机实现了较高的功率密度;文献 1617设计了一种基于 GaN 器件的大功率双向 DCDC 变换器，变换器具有体积小、输出功率高、损耗小等优势。为了使小功率应用场合中开关器件高频化、小型化又能提高效率，本文将有源箝位双向反激变换器拓扑和 GaN 器件结合，设计了一款输入电压为24 V，输出电压为 5 V，输出额定功率为 20 W 的GaN 有源箝位双向反激变换器，分析了有源箝位双向反激变换器的拓扑结构和工作原理，最后通过仿真和实验验证了变换器的可行性和有效性，在实现开关管软开关性能的同时提高了转换器的效率。图 2GaN 有源箝位双向反激变换器拓扑结构图1工作原理11拓扑结构与分析GaN 器件有源箝位双向反激变换器的拓扑结构如图 2 所示。拓扑结构左右两侧完全对称，理想变压器 T、原、副边励磁电感 Lm1、Lm2以及变压器漏感共同构成了实际高频变压器的等效结构。而分别将变压器的一、二次侧漏感串联一小容量电感则组成了谐振电感 Lr1、Lr2，帮助实现变换器的零电压开通，有效减缓开关管内体二极管的反向恢复过程。开关管 Q3、Q4内的寄生电容 Coss3和 Coss4能够减缓 Q3、Q4关断时的电压上升率，从而改善了变换器的 ZVS 性能。主开关管 Q3和 Q4的栅极驱动信号本质上是互补的，且需在其脉冲信号之间加入适当的死区时间。此外，开关管 Q1和 Q4、Q2和 Q3须同时关断，且能够通过调整开关管驱动信号的占空比来实现控制变换器功率传输方向和大小之目的。12工作模态分析在分析工作模态之前，需进行如下假设:变换器已进入稳定工作状态，且流过励磁电感Lm1的电流 im1恒为正值;箝位电容 Cclamp1和 Cclamp2的值足够大，其两端的电压 Vc1、Vc2近似不变;存储在谐振电感 Lr1上的能量无穷大，足以确保原边主开关 Q3的零电压开通;谐振电感 Lr1的电感值远小于变压器励磁电感 Lm1的电感值，即 Lr1Lm1;箝位电容 Cclamp1与谐振电感 Lr1的周期满足关系式:Lr1C槡clamp1Toff。以原边主开关管 Q3和副边箝位管 Q2的开通为一个周期的起始点，将变换器的开关周期划分为 10个阶段，每一个阶段代表一个工作模态，变换器各模态的主要工作波形如图 3 所示。图 3能量正方向传递时变换器关键波形模态 1 t0t1:在 t0时刻，开关管 Q3为持续导通状态，Q1和 Q4关断，零电压条件下开通 Q2。原边励磁电感 Lm1储存能量，副边电流 ir2给箝位电容Cclamp2充电过程中，其两端电压基本保持不变，谐振电感 Lr2上的电流 ir2先反方向减小，待电流过零时，再正方向线性增大，Q4漏源两端的电压 Vds4被箝位在 Vc2+Vout。模态 2 t1t2:断开 Q3和 Q2，变换器进入死区工作模式。原边电流 i3给电容 Coss3充电，电容 Coss4441第 1 期史永胜，李锦等:基于 GaN 器件的有源箝位双向反激变换器设计放电。电容 Coss3上的电压 Vds3线性增大，电容 Coss4上的电压 Vds4线性减小。模态 3 t2t3:Q1的体二极管导通续流。变换器原边电流开始给箝位电容 Cclamp1充电，同时也继续维持向 Q3的寄生电容 Coss3充电。此时，Vds1被箝位在其体二极管导通压降的负值上，此后可实现 Q1的零电压开通。在这段过程中，随着电压 Vc1的增大，副边电容 Coss4上的电压 Vds4随之减小。模态 4 t3t4:Q4的寄生电容 Coss4两端的电压Vds4在 t3时刻降为零，即电容完成放电工作，此时，Q4的体二极管自然导通，其两端的电压 Vds4被箝位在体二极管导通压降的负值上，即可实现 Q4的零电压开通。在该时间段内，电流 im1在变压器原边电压Vpri的作用下线性减小。模态 5 t4t5:Q1和 Q4零电压开通。这时，变换器原、副边的电流由原来的流经寄生体二极管转移至现阶段流经 GaN 器件的导电沟道上，Q4实现同步整流。Q3两端的电压被箝位在 Vin+Vc1，此阶段变压器的原边电压依旧与上一阶段相同，电流 im1同样也会线性减小。模态 6 t5 t6:在 t5时刻，开关管 Q1、Q2、Q3、Q4均断开。Q3寄生电容 Coss3给谐振电感 Lr1充电，电流 ir1开始反向，电流 i3从无到有。电流 i4方向保持不变，Q4的体二极管自然导通进行续流。模态 7 t6t7:t6时刻，寄生电容 Coss3两端的电压 Vds3降为 0，此时开关管 Q3的体二极管导通，原边谐振电感电流 ir1与电流 i3相等，且共同将回路暂存能量流反馈到电源端，电流 ir1反方向线性减小。变压器原边电压的作用使励磁电感电流 im1线性减小，为保证开关管 Q3零电压开通，要在原边谐振电感电流 ir1变为正值之前开通 Q3，变压器副边电感电流 ir2也线性减小。模态 8 t7t8:t7时刻，原边主开关管 Q3零电压开通，此阶段工作状态基本与模态 7 相同，变换器原、副边继续换流。励磁电感电流 im1仍旧缓慢减小，为下一模态初换流过程的完成起铺垫作用。模态 9 t8t9:t8时刻，电源端外部注入