基于GaN的ANPC PWL三电平电压发生器的设计

为了减小体积大的电感和电容元件的尺寸，激发了诸如氮化镓高电子迁移率晶体管 (GaN E-HEMT) 之类的宽带隙器件，并且已经观察到可以在少数几个器件中采用高开关频率通常工作在低开关频率的应用，包括功率因数校正系统和光伏微型逆变器。

具有高开关频率的转换器的效率通常通过使用 GaN 器件来提高，例如用于具有 RF 跟踪的应用的 DC-DC 转换器 、具有大信号和高频的发生器 ，最后，具有低噪声快速跟踪电源的混合放大器 。

在涉及硬切换的操作中可以发现这些设备的优点。这是由于低输出电容和小的关断损耗。

表 1 显示了基于这些规范设计的任意提议 (PWL) 发生器的规范，用于测试汽车设备。该发生器必须连续提供 100W 的输出功率，以及非常低的输出电压纹波 (≤ 200 μVrms)。由于有限的功率损耗预算和电压输出纹波的硬核要求，两级降压转换器需要替代方案。参考文献 中介绍的基准混合功率放大器用于将其性能与开关模式功率放大器的性能进行比较。所设计的系统在所有情况下都优于传统放大器。该发生器必须连续提供 100W 的输出功率，以及非常低的输出电压纹波 (≤ 200 μVrms)。由于有限的功率损耗预算和电压输出纹波的硬核要求，两级降压转换器需要替代方案。

表 1：建议生成器的规格

ANPC 三电平转换器

在硬开关下运行时，使用 GaN 器件的高频转换器需要优化布局以最小化寄生杂散电感。此过程可保护电源开关电压的不良击穿和过冲 。表 2 描述了转换器允许的八种开关状态。三电平转换器电路如图1所示。开关频率的影响如图2所示。

图1：三电平转换器电路图

表 2：转换器的开关状态

图 2：变频影响

ANPC三电平转换器的优化设计

为了正确和完整地理解和探索现代技术的边界，进行了多目标（帕累托）的优化。高功率密度转换器的发展是由于工业研究中电力电子领域的进步。帕累托最优解的确定是通过执行虚拟原型来完成的。这包括系统的变量，例如磁性材料和器件的开关技术和技术参数 。图 3 显示了选择标准。输出电压、电流和开关频率是转换器中总功率损耗所依赖的变量。与 GaN 系统器件情况相比，EPC 器件情况下的 ∆rds,on/∆Vds,on 值更大。在分析了所有器件的性能后，可以看出 GS66502B 器件具有最大的优势 [1]。图 4 清楚地显示了 GS66502B 器件的帕累托图，该器件用作转换器设计的基础以及不同的开关频率，以直观地显示转换器功率密度和效率之间存在的权衡的重要性。

图 3：帕累托优化算法

图 4：器件和磁性对功率密度和效率的影响

实施和实验结果

该程序已用于 PWL 发生器的设计和制造。表 4 给出了实现原型的硬件规格 。冷却板作为固体冷却剂的传导，进一步与强制空气对流相结合，用于确保电源开关的安全可靠操作，并使用这种方法排出半导体产生的热量 。图 5 显示了来自实施的 ANPC 三电平转换器顶部的直流负载条件的计算和测量效率的开关波形的原型和图形表示。GaN 器件的热像仪图像和 PWL 发生器的性能如图 6 所示。

图 5：生成器的原型和图形表示

图 6：PWL 发生器的性能

结论

已选择上述拓扑作为两电平逆变器的自然延伸。借助基于多目标优化的自动化设计程序，对当前 GaN 技术和高频磁性材料的局限性进行了探索。此外，它只关注给定电气参数的功率密度。设计的电源转换器的最佳性能由 GS66502B GaN 器件和 ML91S 铁氧体磁芯材料的器件变化和应用的磁参数来衡量。该原型具有 100W 和 1.75 MHz 的开关频率。极薄的板材厚度使冷却系统占用的空间更少，并且系统的热管理是在强制空气冷却和冷却系统的帮助下进行的。

审核编辑：刘清