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封闭式自然对流PFC-LLC氮化镓变换器中系统级热性能与功率密度的综合优化
Comprehensive System-Level Thermal Performance and Power Density Optimization in Enclosed Natural Convection PFC-LLC GaN Converters
| 作者 | Rahil Samani · Ignacio Galiano Zurbriggen · Ruoyu Hou · Juncheng Lu · Andrew M. Knight |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 LLC谐振 PFC整流 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN e - HEMT PFC - LLC 转换器 热管理 功率密度 多目标优化 |
语言:
中文摘要
氮化镓增强型高电子迁移率晶体管(e - HEMT)在将效率提升至可能的极致方面表现卓越。随着功率密度按需增加且效率趋近饱和点,对半导体可靠性和热管理的担忧也日益加剧。本文聚焦于基于氮化镓的两级功率因数校正(PFC) - LLC 变换器,这是自然冷却消费电子产品中常见的一种拓扑结构,并探索解决其热瓶颈问题的方案。本文提出了一种平衡热网络,该网络通过精确的与温度相关的损耗表征将热域和电域相互连接而建立。然后将这些损耗模型应用于功率变换器的热网络中。此外,主要在元件级研究中发展起来的热耦合概念被拓展到系统级功率变换器中。本文探讨了各种设计细节,包括合理的元件布局和旨在改善氮化镓结到环境热阻($R_{th,ja}$)的印刷电路板(PCB)设计。最终,本文提出了一个在考虑热边界条件下实现最大功率密度的框架,并给出了多目标优化(MOO)问题的帕累托前沿,解释了功率密度和热性能之间的权衡关系。一旦确定了其他变换器独特的与温度相关的损耗模型,所提出的思路也可应用于这些变换器。本文还提供了有限元分析(FEA)和实验结果来支撑相关论断。
English Abstract
GaN enhancement-mode high electron mobility transistors (e-HEMTs) excel at maximizing efficiency to possible extremes. With on-demand power density increase and efficiency approaching the saturation points, concerns regarding semiconductor reliability and thermal management intensify. This paper focuses on the two-stage GaN-based PFC-LLC converter, a prevalent topology in naturally-cooled consumer electronics, and explores solutions to address its thermal bottlenecks. An equilibrium thermal network is proposed, which is established by interconnecting thermal and electrical domains through accurate temperature-dependent loss characterization. These loss models are then transferred into the thermal network of the power converter. Furthermore, the concept of thermo-coupling, primarily developed in component-level studies, is expanded into system-level power converters. Various design subtleties, including proper component placement and PCB design aimed at enhancing GaN's junction-to-ambient thermal resistance ( R_th,ja ), are navigated. Eventually, this paper introduces a framework to achieve the maximum power density considering the thermal boundary, and presents a Pareto front of the multi-objective optimization (MOO) problem, explaining the power density and thermal performance trade-off. The proposed ideas can be used with other converters once their unique temperature-dependent loss models are determined. Finite element analysis (FEA) and experimental results are provided to support the claims.
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PFC-LLC变换器热管理优化技术具有重要的战略价值。该研究针对自然冷却条件下的功率变换系统,提出了系统级热-电耦合网络模型和多目标优化框架,这与我司在光伏逆变器和储能变流器产品中追求高功率密度、高可靠性的技术路线高度契合。
GaN器件的应用是我司下一代产品的关键技术方向。论文中提出的温度依赖性损耗建模方法可直接应用于我司组串式逆变器和户用储能系统的设计优化中。特别是在分布式光伏和户用储能场景中,自然冷却方案能够显著降低系统复杂度和故障率,提升产品竞争力。论文提出的热耦合效应系统级分析方法,能够帮助我们突破当前产品在功率密度提升过程中遇到的散热瓶颈,这对于实现更紧凑的逆变器设计和降低系统成本至关重要。
从技术成熟度评估来看,该研究已具备有限元仿真和实验验证支撑,可进入工程化应用阶段。建议我司技术团队重点关注以下机遇:一是将该热网络模型集成到现有的功率电子设计平台中,建立面向GaN器件的热设计规范;二是利用其PCB布局优化和元件布置策略,改进现有产品的热管理方案;三是借鉴其多目标优化框架,在功率密度、效率和热性能之间找到最优平衡点。
主要挑战在于GaN器件的长期可靠性验证和供应链稳定性,以及如何将学术研究成果转化为可量产的工程方案。建议通过与GaN器件供应商深度合作,建立针对新能源应用场景的可靠性测试标准。