论文部分内容阅读
在通信基站、服务器、数据中心、雷达等应用领域中,由于空间有限、散热条件较差,开关电源的功率密度和变换效率成为核心指标。效率和功率密度的提升也是电力电子领域中永恒的主题,具有理论指导意义和实用价值。在应用第三代宽禁带功率器件GaN HEMT的背景下,可在1MHz开关频率以上维持较高效率,且无源器件和散热器的体积在此频率下大大降低,因此进一步提高功率密度变得可能。然而,GaNHEMT在反向电流的情况下压降高于现有硅基器件,作为同步整流器件时损耗较高;调压Buck变换器+隔离非调压LLC谐振变换器所构成的两级结构在独立控制时的动态性能差;控制参量较多时全负载范围效率难以优化等问题限制了效率的进一步提升。本文针对上述关键技术问题,分别研究了同步整流器件的关断过程与寄生延迟之间的关系、两级变换器的集成化控制方法、多控制参量的控制策略,提出双重判断机制的同步整流检测及谐振频率追踪技术、基于快速查找表(LUT)的PID控制算法、基于多对象优化技术的效率优化策略。主要研究内容与创新点如下:(1)研究了同步整流器件的关断过程与寄生延迟之间的关系,提出一种双重判断机制的同步整流检测技术,使同步整流器件在稳态下关断于体二极管导通时间最短的时刻,保证变换器的可靠性和效率。测试表明,本文提出的方法彻底消除了负载到变换器存在的100mA反灌电流,保证了变换器的可靠性,并使LLC谐振变换器的效率提高至94.5%;(2)研究了 LLC变换器中励磁电感与谐振电感的比值对软开关实现的影响,提出一种数字谐振频率追踪技术,使LLC变换器总是工作在谐振频率处,在作为隔离非稳压变换器时实现最高效率。测试表明,在1MHz开关频率下,峰值效率可达96%, 20%负载效率超过92%;(3)研究了两级变换器的集成化控制方法,提出一种快速LUT-PID控制策略,通过降低PID系数表格维度,缩短查询、计算时间,使变换器在各负载条件下的稳态误差得以降低,还大幅提高了变换器的动态性能。测试表明,在1MHz开关频率下,LUT-PID技术使变换器在负载切换时所需输出建立时间降低60%,输出电压稳态误差为0.1V,电流稳态误差为0.5A;(4)研究了多个控制变量对系统效率的影响,提出一种基于遗传算法的在线式多对象优化技术,以效率作为适应度函数,并基于功率器件和磁性元件的可靠性建立了控制参量的约束条件,从而对变换器的全负载范围效率进行了优化。测试表明,变换器的峰值效率达到90%,20%负载效率达到85%。在此基础上,搭建样机对提出的技术、算法和策略进行验证,变换器在400V输入时的峰值效率达到90%, 20%负载效率为85%,功率密度可达160W/in3。测试结果证明,本文提出的算法提高了变换器的效率、动态性能和功率密度。