基于GaN的电流型Boost隔离变换器设计及控制

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燃料电池具有比能量高、工作温度低、效率高、无污染等良好性能,得到广泛关注。燃料电池由于自身特有的伏安输出特性,要求后级用DC/DC升压变换器应具有宽输入电压、高升压比、高效率、输入电流纹波小及快速动态响应能力以获得稳定的直流母线电压。其中,电流型隔离变换器相较于电压型变换器具有低压侧电流纹波小、高电压增益、变压器利用率高等特性,且其固有的短路保护,适用于低压大电流的燃料电池应用场合。为提高变换器效率和功率密度,基于新型宽禁带功率器件GaN具有开关频率高、导通电阻小且无反向恢复损耗等特点,使用GaN器件设计变换器,使得变换器在高开关频率条件下,无源器件和散热器的体积大大降低,变换效率和功率密度得以兼顾。但是基于GaN的电流型变换器需要重点解决两个问题:1)变压器的漏感导致的功率开关器件关断时两端的浪涌电压;2)开关频率高时,电路寄生参数引起振荡导致开关管误操作和效率降低。论文首先针对常见电流型隔离DC/DC变换器进行研究对比,选择了两相交错自然换向的电流型DC/DC变换器。原副边均采用180°双移相控制,并使副边开关管S4、S5(S3、S6)与原边开关管S1(S2)同时关断,优化设计两者的占空比关系,使得原副边分别实现ZCS与ZVS,并由于变换器输出滤波器的电容特性,将原边电压在无附加器件下实现自然箝位,并设计双闭环PI控制器以稳定输出电压,搭建Psim-Simulink联合仿真模型加以验证。从而解决第一个问题。其次,为更好的设计和应用增强型GaN HEMT器件,对器件的特性进行研究分析并归纳其特点,然后针对GaN器件在实际应用过程中出现的振荡现象,基于增强型GaN器件的开关过程,对其振荡现象进行了分析并给出了开通与关断的数学模型,研究并设计了抑制振荡的办法。从而解决第二个问题。再次,为确保变换器软开关实现和防止峰值电流过高,需要将变压器的漏感限制在一定范围里。同时也为进一步提高变换器效率和功率密度,采用体积小、漏感低、交流电阻低等优良特性的平面变压器,对其进行参数设计,并采用交叉换位技术进一步降低平面变压器的漏感和绕组损耗,然后搭建损耗数学模型以探究变换器损耗分布情况。最后,搭建基于GaN电流型DC/DC变换器的TMS320F28335数字控制实验平台,完成软件设计与实验调试,验证上诉理论分析与设计思想。
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