← 返回
面向功率密度和效率提升的氮化镓基DC-DC变换器设计优化
Design Optimization for Enhancing the Power Density and Efficiency for GaN-Based DC–DC Converter
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年1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 | 氮化镓直流-直流转换器 优化策略 零电压开关 热管理 高效率 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种用于提高基于氮化镓(GaN)的直流 - 直流转换器效率和功率密度的优化策略,该策略适用于具有宽输入电压范围调节需求的不同应用场景。该优化方案采用空心电感,并实施可变开关频率调制方法,以使氮化镓晶体管实现零电压开关导通,从而在频率调整方面提供更大的灵活性,并改善热管理。此外,针对基于交错式升降压氮化镓晶体管的直流 - 直流转换器,引入了一个专门的热模型,该模型考虑了自然对流散热器的存在。最后,通过对实验室原型进行测试,将理论探讨转化为实际应用。该原型实现了高效率(约 99%),在配备自然对流(无气流)散热器时,功率密度分别达到 >17.5 千瓦/升和 6 千瓦/千克。它具有较宽的输入电压范围(110 - 450 伏)、350 伏的恒定输出电压、可变开关频率(18 - 304 千赫兹),并支持高达 9 千瓦的输出功率。
English Abstract
This article presents an optimization strategy for enhancing the efficiency and power density of a GaN-based dc–dc converter, tailored for different applications with a wide input voltage range regulation. The optimization employs air-core inductors and implements a variable switching frequency modulation method to enable zero voltage switching turn-on for GaN transistors, facilitating greater flexibility in frequency adjustment and improved thermal management. Additionally, a specialized thermal model is introduced for the interleaved Buck-Boost GaN transistor-based dc–dc converter, accounting for the presence of a natural convection heatsink. In the conclusion, theoretical discussions transition to practical implementation through the testing of a laboratory prototype. This prototype achieves high efficiency (around 99%), along with power densities of >17.5 kW/L and 6 kW/kg when equipped with a natural convection (without airflow) heatsink. It features a wide input voltage range (110–450 V), a constant output voltage of 350 V, variable switching frequency (18–304 kHz) and supports up to 9 kW output power.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于GaN器件的DC-DC变换器优化技术具有显著的战略价值。该技术实现的99%高效率和17.5kW/L功率密度指标,直接契合我们在光伏逆变器和储能系统领域对高功率密度、高效率的核心追求。
在光伏应用场景中,该技术的宽输入电压范围(110-450V)特性尤为关键。这可有效应对光伏组串电压的动态变化,特别适用于我们的组串式逆变器产品线,能够提升系统在不同光照条件下的MPPT效率。对于储能系统,该技术采用的交错Buck-Boost拓扑结构与可变频率调制策略,可优化电池充放电管理,延长电池寿命,这对我们的户用及工商业储能产品具有直接应用价值。
技术亮点在于空心电感器的应用和零电压开关(ZVS)实现,这不仅降低了开关损耗,更重要的是在自然对流散热条件下即可达到良好热管理效果。这为我们开发更紧凑、免维护的新能源产品提供了技术路径,特别是在户用光储一体机等空间受限场景中优势明显。
然而,技术挑战同样存在:GaN器件的成本仍高于传统硅基器件,需评估规模化应用的经济性;空心电感器的EMI特性需要深入验证;9kW功率等级对于我们的大型地面电站和集中式储能系统仍显不足,需要探索并联扩容方案。建议重点关注该技术在户用光储系统(3-10kW)和电动汽车充电模块中的应用潜力,这些场景对功率密度和效率的要求与该技术特性高度匹配。