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关于GaN-HEMT基DC-DC变换器电热建模实验验证的研究

On the Experimental Verification of Electrothermal Modeling of GaN-HEMT-Based DC–DC Converters

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中文摘要

功率变换器的可靠性与半导体器件结温的变化密切相关。因此,拥有这些组件的精确模型至关重要。本研究提出了一种针对基于氮化镓(GaN)的直流 - 直流变换器的电热模型。实验评估采用了基于氮化镓的两电平降压变换器(TLBC),其中通过脉宽调制(PWM)实现电流控制,同时在 10 - <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\text{500} \,\text{kHz}$</tex-math></inline-formula> 的固定开关频率范围内开发了一个综合热模型。测试平台采用红外热传感器进行直接温度测量。通过与稳态和动态条件下的实验数据进行比较,对所提出的模型进行了验证。最后,本研究的贡献在于生成一个基于氮化镓高电子迁移率晶体管技术的两电平降压变换器的精确电热模型,以便在稳态和动态模式下实现主动热控制。本研究的目的是解决组件温度升高的管理问题,因为在新一代直流 - 直流功率变换器中,满足完全集成要求是一项重大挑战。

English Abstract

The reliability of power converters is intricately tied to the variations in the junction temperature of semiconductor devices. Therefore, possessing accurate models of these components is of paramount importance. This research introduces an electrothermal model focusing on Gallium Nitride (GaN) based dc–dc converters. The experimental evaluation leverages a GaN-based two-level buck converter (TLBC), where current control is achieved via pulsewidth modulation (PWM), while a comprehensive thermal model is developed in the range of 10– 500 ,kHz at fixed switching frequencies. The test-bed involves direct temperature measurement utilizing infrared thermal sensors. The proposed model undergoes validation through comparison with experimental data in steady-state and dynamic conditions. Finally, the contribution of this work is to generate an accurate electrothermal model of a TLBC based on GaN-high-electron-mobility transistor technology transistors to enable active thermal control implementation in steady-state and dynamic mode. The aim of the study is to address the management of component temperature rise given the need for full integration requirements as a major challenge in new-generation of dc–dc power converters.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项GaN-HEMT器件的电热建模研究具有重要的战略价值。GaN功率器件因其高开关频率、低损耗特性,正成为下一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术方向,与公司"1+e"战略中对高功率密度、高效率产品的追求高度契合。

该研究的核心价值在于建立了精确的电热耦合模型,并通过10-500kHz宽频段的实验验证,这对阳光电源的产品开发具有直接意义。在光伏逆变器领域,准确的结温预测模型可显著提升MPPT算法在高温环境下的跟踪精度和系统可靠性;在储能系统中,主动热管理技术能够优化BMS与PCS的协同控制,延长电池循环寿命,这对公司PowerTitan等大型储能产品的竞争力提升至关重要。研究中采用的红外热传感器直接测温方法,为实时热监控提供了可行的工程化路径。

从技术成熟度评估,该研究已完成稳态和动态工况的实验验证,处于从实验室向工程应用过渡的关键阶段。主要挑战在于:GaN器件的成本仍高于传统Si/SiC器件,需权衡性能提升与成本增加;模型在极端工况(如沙漠高温、高原低气压)下的适用性需进一步验证;主动热控制算法的实时性要求对现有控制平台提出更高算力需求。

建议阳光电源重点关注该技术在组串式逆变器小型化、户用储能一体机高集成度设计中的应用潜力,同时可考虑与研究机构合作,建立面向全工况的GaN器件电热数据库,抢占技术制高点,支撑公司在全球新能源市场的领先地位。