基于GaN器件车用电源变换器的分析和设计.pdf
《基于GaN器件车用电源变换器的分析和设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于GaN器件车用电源变换器的分析和设计.pdf(3页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023基金项目:2022 年江苏省大学生创新创业训练计划项目重点项目;项目编号:盐工教202217 号序号 5。盐城工学院 2022 年度教改研究资助项目;项目编号:JYKT2022A011。作者简介:蔡嘉豪(2001),男,江苏南通人,本科生;研究方向:电力电子变换技术。通信作者:王建冈(1968),女,江苏盐城人,教授,博士;研究方向:电力电子集成系统,高频软开关直流-直流变换器,电动汽车电源变换器。基于 GaN 器件车用电源变换器的分析和设计蔡嘉豪,马宗铭,
2、王建冈(盐城工学院 电气工程学院,江苏 盐城 224051)摘要:电动汽车上低压用电设备的功率日趋提高,对于车载电源转换器的要求越来越高,采用 GaN 器件设计车用低压混合供电系统用电源变换器更符合未来发展趋势。文章选择适用于低压大电流输出场合的同步整流 BUCK 变换器作为主电路,给出了参数选择原则,设计控制和驱动电路。经损耗分析,结果表明,采用 GaN 器件可有效提高变换器的效率。关键词:GaN;同步整流技术;车用电源变换器;损耗分析中图分类号:TM46;TN30 文献标志码:A0 引言 作为交通方式的创新选择,电动汽车展现出高效能源利用、对环境的关爱及对未来可持续发展的特点,是汽车业未来
3、发展的方向,具有广阔的发展前景。电气系统是电动汽车的重要组成部分,可分为高电压系统和低电压系统。其中,通过采用 14 V 或 48 V 的直流低电压系统,车辆能够满足日常低压电器如灯具和雨刷的供电需求,同时为整车控制单元、高压电气设备的控制电路以及辅助组件提供稳定的电源。电动汽车上低压用电设备的功率日趋提高,14 V/48 V 混合供电系统成为目前主要低压供电系统。由于车上空间有限而且车载工况环境恶劣,对于车载电源转换器而言,要满足尺寸紧凑、轻量化、高效能、良好的密封自然散热性能以及较高的安全标准等多方面的要求。纵观电力电子技术的发展,硅基功率器件的性能已接近极限。近十多年来,以氮化镓(GaN
4、)和碳化硅(SiC)为代表的宽禁带功率器件 第三代电力电子器件发展迅猛。采用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件在多个方面相较于硅器件有显著的性能优势,包括承受更高电压、显著降低通态电阻、提高导热性能和热稳定性以及增强抗高温和抗辐射能力。性能的提升在很多方面均呈指数级别。宽禁带功率器件开关速度更快,能以更高的开关频率工作,可以显著减小变换器尺寸。因此,本文采用 GaN 器件设计车用低压混合供电系统用电源变换器。1 电路拓扑选择 同步整流技术是采用通态电阻极低的 MOS 管来取代整流二极管,以降低损耗的技术。同步整流变换器适用于低压大电流输出场合,可提高转换效率1-2。同步整流 BUCK 变换器作
5、为电动汽车用低压混合供电系统用电源变换器的具体电路拓扑,具体结构如图 1 所示。图中,Vin是输入电压,Vo是输出电压。V1是 GaN 开关管,V2是 GaN 同步整流管,Lf、Cf 分别为输出滤波电感和输出滤波电容。图 1 基于 GaN 器件的同步整流 BUCK 变换器2 主电路设计 变换器的技术指标:输入电压 Vin=48 V;输出电压 Vo=14 V;输出电流 Io=5 A;最大输出纹波电压V=200 mV;工作频率 fs=200 kHz。2.1 开关管选择 由同步整流变换器的工作原理可知,V1、V2承受的最大电压都为输入电压 Vin。开关管 V1电流有效值为:Irms-V1=IoD(1
6、+r2/12)(1)式中,D 为占空比,D=Vo/Vin。根据经验,一般取r=0.4。计算可得,Irms-V1=2.71 A。同步整流管 V2的电流有效值为:Irms-V2=Io(1-D)(1+r2/12)(2)1第 17 期2023 年 9 月无线互联科技电子通信No.17September,2023计算可得,Irms-V2=4.23 A。V1、V2选用 GaN Systems 公司的增强型氮化镓晶体管 GS61004B。Uds=100 V,Ids=38 A,Rds(on)=16 m。2.2 滤波电感的设计 电感纹波电流即电感电流波形中峰峰值,一般要求小于输出电流的 20%,当电感波纹电流取
7、最大值Io=0.2Io时,输出滤波电感应满足:Lf=(Vin-Vo)Vo0.2IoVinfs(3)计算可得,Lf=49.58 H。2.3 滤波电容的选择 滤波电容工作在周期性充、放电状态,为满足输出纹波电压要求,输出滤波电容应满足:Cf=Vo(Vin-Vo)8Lff2sVoVin(4)计算可得,Cf=3.13 F。实际应用中,考虑寄生参数的影响,选用的电容值应该要比计算的电容值大,取 100 F/25 V 电解电容和 1 F 高频电容并联使用。3 控制驱动电路设计3.1 控制电路 采用 SG3525 控制芯片和 4049 反相器提供两路互补的 PWM 控制信号 PWMH 和 PWML。3.2
8、驱动电路 V1、V2的驱动电路采用 LM5113 驱动芯片,如图 2所示3-4。图中,C1为电源 VDD 的滤波电容,C2为自举电容。Rg(on)、Rg(off)分别为栅极开通、关断驱动电阻,R1、R2分别为 V1、V2的栅极电阻。本设计 Rg(on)和Rg(off)分别取 10 和 1。图 2 基于 GaN 器件同步整流 BUCK 变换器的驱动电路4 开关管的损耗计算4.1 开关损耗 开关管的栅极驱动损耗、开启与关断损耗以及电容损 耗 均 由 高 频 开 关 导 致。GaN HEMT 不 同 于MOSFET 和共源共栅 GaN 器件,由于其无须依赖体二极管而利用二维电子气进行导电,从而避免了
9、反向恢复损耗问题。这些损耗可以在开关损耗分析中一并考虑。在每个周期,驱动芯片都需要对栅源极间电容Cgs和栅漏极间电容 Cgd进行充放电。所以,V1和 V2的栅极驱动损耗分别为:Pg1=Qg1ugsfs(5)Pg2=Qg2ugsfs(6)式中:Qg1、Qg2分别为 V1、V2的栅极电荷;ugs为栅极驱动电压。在开启开关管时,首先栅极驱动芯片需要先对 Cgs进行充电,当充电电荷量达到 Qgs1(Qgs1=QG(th)时,ugs从零开始上升到阈值电压 Uth,这个阶段几乎没有漏电流流过器件,因此没有损耗产生。接着,继续充电到米勒平台电压 Up1,充电电荷量为 Qgs2(Qgs2=Qgs-Qgs1),
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 GaN 器件 用电 变换器 分析 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。