西安科技大學科研團隊設計出採用GaN器件的高頻高效LLC諧振變換器

傳統功率器件在高頻下，器件本身產生較大的損耗，嚴重製約著高效、高功率密度的開關變換器的需求，第三代寬禁帶半導體器件氮化鎵（GaN）的出現能夠進一步地提高變換器的效率和功率密度。

GaN器件具有開關速度快以及無反向恢復損耗等特點，西安科技大學電氣與控制工程學院的研究人員童軍、吳偉東、李發成、杜光輝，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，利用這一特性，結合印製電路板（PCB）平面變壓器，將其應用於LLC諧振變換器中，最終設計一款48V輸入、12V輸出、120W、1MHz的實驗樣板。實驗結果表明，該樣板的體積得到大幅度地降低，透過採用GaN器件極大地提高了變頻器的效率和功率密度，為採用GaN器件的高功率密度變換器的設計提供了參考。

近年來，無論在航空航天、電動汽車車載充電器還是通訊電源等領域，均對開關電源提出了更高要求，即提高效率和功率密度。提高變換器的效率可以從兩點出發：一是對電路拓撲結構的改進；二是選擇損耗更低的開關器件和磁性元件。同理，提高變換器的功率密度一方面可以選擇具有更小體積的功率器件；另一方面可減小磁性元件的體積。

傳統的DC-DC變換器分非隔離型和隔離型，非隔離型主要包括Buck、Boost及Buck-Boost等經典拓撲結構，而隔離型主要包括正反激、推輓、半橋及全橋結構，其中全橋、正激變換器通常在大功率場合使用，而中小功率場合一般採用反激或半橋結構。

以上變換器均屬於脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation， PWM）變換器，透過改變功率管的佔空比來實現變換器直流增益的改變，通常為硬開關變換器，在功率管附近增加輔助電路的情況下也能夠實現軟開關，但較為複雜。

不同於PWM硬開關變換器，諧振變換器因能夠實現軟開關而成為當前的研究熱點，其工作原理是透過改變變換器的開關頻率來調節直流增益。LLC諧振式DC-DC變換器的諧振元件主要為諧振電感和諧振電容，具有十分突出的優點。

與PWM型直流變換器相比，LLC諧振變換器能夠實現零電壓軟開關（Zero Voltage Switch， ZVS）和零電流軟開關（Zero Current Switch， ZCS），在一定程度上減小了由開關管在開關狀態切換過程中產生的開關損耗以及二極體的反向恢復損耗。此外，可將諧振電感集成於變壓器中（用漏感取代），能夠有效減小變換器磁性元件的體積。

近年來，隨著半導體材料及技術的快速發展，制約開關變換器效能提高的瓶頸逐漸被打破。目前，開關變換器較常用的都是Si基電晶體，然而，採用Si基材料的功率開關管經歷了七十多年的發展，其理論較為成熟，效能逐漸逼近其極限，在未來其材料效能很難有較大的提升。

表1給出了Si、SiC及GaN材料效能比較，透過相關資料可以看出，GaN器件的高帶隙能量、電子遷移率、臨界擊穿電場和熱導率相對於其他兩種來說較高，這說明GaN器件導電效能好，具有極小的通態電阻、極高的開關速度等特點，因此基於GaN材料製造的半導體功率器件在開關頻率、溫升以及損耗等方面的效能都超過Si器件，存在較大的發展潛力。

表1 Si、SiC和GaN材料效能比較

自第三代寬禁帶半導體器件GaN問世以來，國內眾多高校紛紛投入研究，越來越多地將GaN器件應用在直流變換器。西安交通大學學者建立了增強型GaN器件的損耗模型，詳細分析了基於GaN器件的Buck變換器損耗；對基於GaN器件的LLC諧振變換器的開關過程及磁性元件展開研究，並對平面變壓器的繞組分佈方式進行了最佳化設計，之後不少學者又將其應用於LLC諧振變換器中。南京航空航天大學的學者提出了改善基於GaN器件的LLC變換器的可靠性和效率的方法。

西安科技大學電氣與控制工程學院的研究人員在眾多學者的研究基礎上，結合GaN器件以及平面變壓器的優秀效能，進一步對LLC諧振變換器展開研究。為了提高效率和功率密度，將GaN器件和平面變壓器以及同步整流技術應用於LLC諧振變換器。

圖1 電路設計實物

他們分析了基於GaN器件的LLC諧振變換器工作原理，得到變換器的數學模型，分析了變換器增益曲線；建立了高頻工作條件下的寄生電感模型，對功率迴路進行了最佳化處理；在Ansys Maxwell電磁模擬軟體中建立平面變壓器的模擬模型，模擬了變壓器繞組工作過程中的電流密度，並採用Ansys Q3D對寄生電感等引數進行了提取；另外還對平面變壓器的交流阻抗和漏感等引數進行了提取。

研究人員最後加工了一臺採用GaN器件的變換器樣機，透過實驗測試驗證了GaN器件可以大幅度地提高變頻器的效率和功率密度。

本文編自2021年《電工技術學報》增

刊2，論文標題為“基於GaN器件的高頻高效LLC諧振變換器”，作者為童軍、吳偉東 等。