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一种用于低温高温超导磁体电源的新型氮化镓T型三开关桥臂
A New GaN T-Type Three-Switch Bridge-Leg for Cryogenic HTS Magnet Power Supplies
| 作者 | Mücahid Akbas · Daifei Zhang · Elias Bürgisser · Johann W. Kolar · Jonas Huber |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 低温降压DC - DC转换器 高温超导磁体 三开关T型桥臂 氮化镓晶体管 传导损耗 |
语言:
中文摘要
用于为高温超导磁体供电的低温降压直流 - 直流转换器以约 1V 的低直流输入电压工作，并提供高输出/磁体电流。所提出的三开关 T 型（3STT）桥臂利用标准氮化镓（GaN）晶体管的（有限）反向阻断能力，实现与传统全桥（FB）拓扑相同的功能（双极输出电压）。有利的是，3STT 仅在负载电流路径中设置单个晶体管（而 FB 为两个），可将传导损耗至少降低 50%。一个工作在 77K（浸没在液氮中）的 25A 3STT 相模块演示器的损耗测量结果验证了这一概念。
English Abstract
Cryogenic step-down dc–dc converters for supplying high-temperature superconducting magnets operate from low dc input voltages in the order of 1 V and provide high output/magnet currents. The proposed three-switch T-type (3STT) bridge-leg utilizes the (limited) reverse-blocking capability of standard gallium nitride (GaN) transistors to provide the same functionality (bipolar output voltage) as a conventional full-bridge (FB) topology. Advantageously, the 3STT features only a single transistor in the load current path (instead of two for the FB), reducing conduction losses by at least 50%. Loss measurements of a 25 A 3STT phase module demonstrator operating at 77 K (immersed in liquid nitrogen) verify the concept.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项针对低温高温超导磁体电源的GaN T型三开关桥臂技术，虽然应用场景较为专业化，但其核心技术理念对我们在光伏逆变器和储能系统领域具有重要的借鉴价值。
该技术的核心创新在于利用GaN器件的反向阻断特性，将传统全桥拓扑的四开关结构简化为三开关T型结构，在保持双极性输出能力的同时，将负载电流路径中的串联开关从两个减少到一个，理论上可降低导通损耗50%以上。这种损耗优化思路与阳光电源在高效率逆变器设计中追求的目标高度契合。特别是在大电流应用场景下，导通损耗的显著降低直接转化为系统效率提升和散热成本下降。
从技术成熟度评估，该研究已完成77K液氮环境下25A电流的实验验证，但距离常温工业应用仍有距离。对阳光电源而言，潜在的应用机遇主要体现在：一是可将该拓扑理念应用于储能变流器的大电流DC-DC变换环节，提升双向变换效率；二是在光伏逆变器的直流侧优化中，探索利用GaN器件特性简化拓扑的可能性；三是为未来可能涉足的超导储能、大功率电力电子装备等前沿领域储备技术。
技术挑战主要集中在：GaN器件的反向阻断能力有限且一致性控制要求高，常温应用需要重新评估器件选型和保护策略；三开关结构的控制算法需要精细化设计以确保可靠性。建议持续跟踪该技术的工业化进展，适时开展GaN器件在现有产品线中的拓扑创新研究，为下一代高效率电力电子产品做好技术储备。