Vol. 44 No. 1
Feb. 2021
2021年2月
Chinese Journal of ElccLmn Devices
A High-Power Bidirectional DC/DC Converter Based on GaN Devices "
LIU Xiaoyue 卒，BAI Shangwei ，CHEN Rui
(College of Electrical Engineering , North China University of Science and Technology , Tangshan Hebei 063200, China)
Abstract ：This paper introduces a new high-power bidirecLional isolaLed DC/DC converLer. The DC/DC converLer
uses power switching devices based on gallium nitride ( GaN ). The topology of 10 kW GaN hi
gh-power DC/DC
converLer is optimized , parameterized and analyzed , and its effectiveness is verified by simulation. It consists of two single-phase full bridge circuits , two input and output inductors and a high frequency transformer. The high-frequency transformer plays a vital role in realizing the galvanic isolation between the two full-bridge converters. The MATLAB
simulation software is used to model the 10 kW converLer. MATLAB simulation results verify that the performance of the converter is suitable for high power applications and can achieve zero voltage turn-on ( ZVS ) and zero current
turn-off ( ZCS ) under light load conditions. And a 7 kW experimental prototype designed verify the effectiveness of the
designed topology.
Key words : bidirectional DC/DC converter ； soft switching ； high power ； electrical isolation ； GaN device
EEACC ：1290B ；2560P doi ：10 ・3969/j ・issn ・ 1005-9490・2021 ・01・009
一种基于GaN 器件大功率双向DC/DC 变换器*
刘晓悦"，白尚维，陈瑞
(华北理工大学电气工程学院，河北唐山063000)
摘 要：本文介绍了一种新的高功率双向隔离式DC/DC 变换器。DC/DC 转换器使用基于氮化傢(GaN)的功率开关器件。 本文对10 kW GaN 大功率DC/DC 变换器的拓扑结构进行了优化，参数化和分析，并通过仿真和验证了其有效性。它由两个
单相全桥电路、两个输入输出电感和一个高频变压器组成。高频变压器在实现两个全桥变换器之间的电流隔离方面起着至 关重要的作用。使用MATLAB 仿真软件对10 kW 的变换器进行了建模。MATLAB 仿真结果验证了变换器的性能适合于高功 率应用并能实现轻负载条件下的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。然后，设计了一个7kW 的实验原型，以验证所设计 拓扑的有效性。 关键词：双向DC/DC 变换器；软开关；大功率；电气隔离,GaN 器件
中图分类号:TM46
文献标识码:A
文章编号：1005-9490( 2021) 01-0046-06
近年来，随着能源危机的爆发和地球生态环境 的不断恶化，能源节约和能源的高效利用引起了人 们的广泛关注，其中光能，风能等可再生能源以及再
生制动能量的回收利用成为人们研究的热点问题。 在分布式能源系统中高压总线的电压往往能够达到 240 V-450 V 。但是国内外研究关于5 kW 以上的 DC/DC 变换器很少，因此，研究一种高功率双向
DC/DC 变换器很有必要。
双向DC/DC 变换器按照有无电气隔离可以分为
高压直流总线(240 V-450 V)
蓄电池 超级电容 风机 伺服电机
图1常见的DC-DC 变换器应用拓扑
项目来源：国家自然基金项目(51574102,51474086)；河北省自然科学基金和重点基础研究专项项目(E2019209492) 收稿日期：2020-05-14
修改日期：
2020-08-05
第1期刘晓悦，白尚维等：一种基于GaN器件大功率双向DC/DC变换器47
氨基酸洗发水配方
隔离型和非隔离型，在它们之中，隔离型DC/DC变换器是优选的，因为它易于实现电气隔离、高频化、小型化。其中双有源全桥(DAB)DC/DC变换器更是得到了广泛关注⑴。全桥双有源DC/DC变换器是由一个高频变压器两侧分别连接一个全桥电路，一侧全桥电路充当逆变器，另一侧则充当整流器，实现了低压侧和高压侧电气上的隔离。控制双有源全桥开关管之间的相移角，以实现零电压开启(ZVS)和零电流关闭(ZCS)。这严重影响了转换器的效率。文献［2］在高压侧引入了一个LLC谐振电路来实现它。该电路可在整个负载范围内提供软开关，但以输岀功率为代价。文献［3］为了使变换器正反双向对称工作在低压侧也引入了谐振电感，但是导致低压侧输岀电流波纹较大，影响变换器的效率。在参考文献［4］中，高压侧已更改为倍压整流电路。这提高了电压增益，但是开关管难以实现软开关。
为了解决双有源全桥转换器中存在的上述问题，转换器的输岀功率需要进一步提高，低压侧电流纹波减小。本文设计了一种基于GaN高频率开关器件的大功率双向DC/DC变换器，通过GaN器件的高频化，进一步提高了变换器的输岀功率，利用变压器的漏感与开关管寄生电容构成谐振电路，可以在轻负载条件下实现软开关，减小了开关损耗。变换器采用更少的电容器，进一步减小了变换器的体积。与传统的DAB相比，将交流侧的电感移到直流侧，减小了输岀电流波纹，降低了无功功率。因此，此变换器具有体积小、高功率输岀、损耗小，电流纹波小，无功功率小，效率高等优势。适合作为分布式能源系统，飞机船舶等大功率设备的电力电子转换器。
1工作原理
1.1拓扑结构与分析
图2显示了基于本文提岀的GaN器件的大功率双向DC/DC转换器。两侧的直流电源通过高频变压器，两个电感器和两个全桥电路连接，其中S i、S4为低压侧的超前臂,S2、S3为滞后臂，这四个开关管的寄生电容C喰与变压器的漏感L m构成谐振电路使低压侧开关管实现零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，另一方面，输入电感L in可以与开关管的寄生电容和低压开关管的零电压导通(ZVS)形成谐振电路。零电流关断(ZCS)提供条件，另一方面可以有效地吸收回流电流从而降低电路中的无功功率，提高变换器的效率，减少了电路的能量损耗⑸。Q1、Q4为高压侧的超前臂，Q2、Q3为高压侧的滞后臂，这四个开关管构成的全桥电路在高压侧充当整流的作用，其寄生电容与变压器漏感构成谐振电路，使高压侧开关管实现零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，输岀滤波电感减小了输岀电流纹波，提高了系统的稳定性。
1・2工作模式分析
取决于功率传输的方向，转换器可以具有两种工作模式，升压模式和降压模式。下面将详细分析这两种操作模式。
1.2.1升压模式
在这种模式下，输入侧为低电压V l，输岀侧为高电压V h，功率从低压侧流向高压侧。一次侧低压电桥执行逆变器操作，二次侧高压电桥执行整流操作以达到稳定的输岀电压。放电模式下的各种开关瞬间如图3所示。
A)'1‘2(3*4
图3升压模式下脉冲以及主要波形图
图3中的波形描绘了晶体管S i到0的栅极电压、V l和V h桥上的电压、输入电感的电流/m、一次侧和二次侧的流过开关管的电流厶1和G以及输岀电流I。。
(1)模式1(10~t i)
一次侧开关管S1,S4导通，厶1，厶4增加直到11时刻达峰值，一次侧电压V l通过S1，S4和高频变压器原边线圈为电感L i n充电，I l增加直到11时刻达峰值。高压侧开关管0，@导通，因此二次侧电压被
48电子器件第44卷
钳位到-厶。
(2)模式2(斤-七2)
初级侧开关管S],S4继续导通，与高频变压器原边绕组构成环路，初级侧电流经过变压器耦合到次级侧，此时次级开关管Q2,Q3零电流关断(ZCS)和Q i,Q4零电压开通(ZVS)，与次级电压V o构成完整环
路，从而变压器次级侧电压钳位到v H。此时电感L in中流过的电流持续减小，并且其储存的能量在两侧的电容中流动。
(3)模式3(方2一方3)
一次侧开关管S i，S4零电流关断,S2，S3零电压开通，因此，一次侧电压V m被反向钳位到-V l，与高频变压器原边绕组构成回路。初级电流通过高频变压器耦合到次级侧，次级开关管Q i,Q4保持开通状态，并与次级电压V o形成完整环路。此时，电感L in电流不断增大，储能增加，同时由电容向负载R供电。这就完成了循环的半个周期，在$时刻循环被重复。
变换器工作的一个重要特点是，由于二极管在所有晶体管的导通瞬间具有零电流，因此消除了由二极管反向恢复引起的损耗。
图4升压模式下各个阶段的等效电路图
1.2.2降压模式
因为本拓扑采用对称设计，其反向降压模式与升压模式原理相同，变换器中电压电流波形与升压模式相似，本节不再赘述。
最大功率传输是在90。移相时实现的，其中占空比D二0.5。由于所有器件都在ZVS条件下工作，在很大的负载范围内都能获得高效率。该电路可以实现升压或降压。升压和降压的转换取决于相移。2主电路参数设计
2.1GaN器件分析
近年来，氮化镓(GaN)器件已成为商用器件，具 有低导通电阻、快速开关速度和在高温度下的工作能力。GaN器件具有的这些优良器件特性，对DC/ DC电源应用有着重要的影响。与Si器件相比，基于GaN器件的DC/DC变换器是通过降低器件功率损耗、放宽热设计和通过在更高频率下工作以减小无源元件来提高变换器的功率效率和功率密度的。表1显示了具有类似电压和电流额定值的最先进GaN和Si器件的比较[6-8]。
表1器件关键参数比较
参数名称器件1器件2器件3器件4
类型共源共栅增强Si-1Si-2额定电压/V650650600650额定电流(25OC)/A16151918
导通电阻(125C)/mO260220200223输出电容/pF10671515579
栅电荷/nC 6.2 3.034.035.0反向恢复电荷/nC52035007000
GaN器件的状态电阻与Si器件相当，但寄生电容、栅电荷和反向恢复电荷要比Si器件低得多。结果表明，用GaN器件代替Si器件可以在器件导通损耗基本不变的情况下，显著降低开关损耗和扩大软开关工作范围[9-10]o
2.2变换器关键参数设计
DAB转换器的关键方程总结如下[11-12]，在高压开关瞬间的峰值电感电流表示为：
T
I p二4L[V o(2d—1)+"V m](1)式中：厶为峰值电感电流，T s为开关周期，L为电感,V o为输岀电压，/为占空比，〃为变压器匝数比, V m为输入电压。
输入电感电流I m的表达式，即低压开关瞬间电流:
I in二：I"V m(2d-1)+V o](2)式中：I m为输入电流。
输岀电流I o表达式为：
T s nV m,
I o二2L(d-d2)(3)
将平均输岀电流归一化为：
I o二d-d2(4)
从式(4)中，将整个控制范围(0~1)代入占空
第1期刘晓悦，白尚维等：一种基于GaN 器件大功率双向DC/DC 变换器49
比d，可以看出，对于0.5的占空比，发生了最大的功 率传递。
3仿真和实验验证
3.1仿真验证
使用MATLAB 软件进行了详细的仿真，以验证
第2节中设计的基于GaN 的大功率DC/DC 转换器
的性能。本节介绍使用MATLAB 软件的仿真结果。
仿真结果适用于10 kW DAB 转换器。图5显示了
转换器的Simulink 模型。
图5基于GaN 的大功率DC/DC
变换器Simulink 仿真模型
图5中，F in 为输入电压,L in 为输入电感，S ]〜S 4
为一次侧GaN 器件,T 为高频变压器,Q ]-Q 4为二次
侧GaN 器件,L °为输出电感,R 为负载。本仿真模 型针对轻载下进行建模仿真，负载仅有3 n o 其中
仿真模型主要参数如表2所示。
表2仿真模型主要参数
参数数值
输入电压匕/V 60
输出电压v 0/V 300
输出电流I o /A
35
变压器匝比N
0.2 ：1输入，输出电感L in 、L °/pH
2.11负载R/Q 3
电网监测工作频率f S /Hz
50 kHz
图6显示了四个开关管的仿真结果。从该图可
以看出，转换器的每个开关管在轻载时都可以实现
零电压接通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，减少开关
损耗。
I-S1S4
I-Q1Q4
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995
0.08
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995 0.08
500-
-100一150」
U-S1S4
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995 0.08rc延时电路
U ・Q1Q4
300 ■-—•u@Q4-200 ■1UU ■■0-0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995
0.08
Pulse-SlS4
1.0
—
-
—
—PU1S&S1S40.5*
0：
U U L
U U
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995
0.08
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995
0.08
Pulse-Q1Q4
1.0
-
--------PU1S&Q1Q4'
I I I
0.5 ■■
0--0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995
0.08I-Q2Q3
50-
7 , / 14 J J b
0 ■-50丿
1 U q q J L / u u / L 1 u u
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995
0.08
U-S2S3
604020—U-S2S3 1
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995 0.08
U ・Q2Q3
300200100
0-——r
—
— 3'
0.0795 0.079550.0796 0.07935
0.0797 0.07975
0.0798 0.07985
0.0799 0.07995 0.08
Pulse-S2S30.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995 0.08Pulse-Q2Q3
0.0795 0.07955 0.0796 0.07935 0.0797 0.07975 0.0798 0.07985 0.0799 0.07995 0.08
图6软开关仿真波形图分析
在图7中，1。-1和U o-i 是传统双向DC/DC 变换 器处于稳定状态时的输出电流和电压，而I o-2和U o-2
是优化后处于稳态时的输出电流和电压。传统的电
流纹波约为1 Ao 优化后，电流纹波减小到0.01 Ao
可以看到，经过优化，可以有效降低DC/DC 输出电
流和电压纹波，并可以实现输出功率为10 kW 的稳
定输出。
3.2实验验证
为了验证本文描述的拓扑的准确性，我们设计
了具有20 kHz 功率传输的7 kW 实验原型。具体参 数:d = 0.5,F h = 390 V,F l = 180 V，变压器匝数比 N 二
1，耦合电感L = 61 pH，负载R = 5Q 。测量结果如
图8所示。
图8显示了全桥产生的电压和变压器电流，
图9中显示了高压侧GaN 的电流和电压波形，以及
电感电流和输出电压波形。
图10显示了低压侧GaN 的电流和电压波形以
及输出电流波形。低压侧GaN 电压，
电流和变压器
50电子器件第44卷
35
30
25
20
15
10
5
00.040.080.120.160.20
300
250
200
150
莊100
50
青嵩素
5
00.040.080.120.160.20
时间/s
135
30
25
20
15
10
5
时间/s
300
250
200
150
100
久2
50
00.040.080.120.160.2000.040.080.120.160.20
时间/s时间/s
图7与传统的DC/DC相比输出电流输出电压波形图
~'—
—丄-一tEcom
|匚输出电压[/彳高压侧申压
图9高压侧GaN的电流，电压波形，电感电流
和输出电压波形
图10低压侧GaN的电流和电压波形
以及输出电流波形电压中出现的振荡是由于在器件开关瞬变期间电感器和缓冲电容器之间发生谐振。在7kW时，转换器的效率为90%。预期的稳态值是I p=79.7A,I。二39.8A,I l广40.7A,I RM=51.7A，测量结果是I p二73A,I。=35A,I l1=31A,I R m=47A。实验结果，模拟结果和数学分析之间有很好的一致性。毛豆采摘机
4结论
本文介绍了基于GaN器件的大功率双向DC-DC 变换器并对其性能进行验证。变换器已使用MATLAB封装建模。它具有体积小、高功率输出、损耗小，电流纹波小，无功功率小，效率咼等优势。变换器获得的仿真和实验结果验证了以其作为分布式能源系统，飞机船舶等大功率设备的电力电子转换器具有良好的性能。
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