基于氮化镓逆变器建模损耗的原因及考虑因素

文章摘要

本文研究了四个经常被忽略的因素对基于GaN的全桥逆变器损耗模型的影响：器件的寄生电容、时变功耗（Ploss）下的结温度（Tj ）动力学、壳温度估计以及对无源元件的详细考虑。提出并实施了考虑上述因素的换流器损耗计算模型。

采用氮化镓高电子迁移率晶体管的4.5kW硬开关逆变器原型，实验证明了各因素对逆变器损耗模型的影响。在低负荷条件下，逆变器损耗模型的精度主要受无源组件的影响，而随着输出功率的增加，有源组件的热模型和损耗模型成为主要因素。

结果表明，考虑上述因素后，在重载（Po = 4.5 kW）下，计算和测量的转换器损失差异从30.6 W（28%）减少到2.5W（小于3%)，而在轻负载（Po = 500 W）下，从3.9 W（28%）降低到2.6 W（16%）。此外，氮化镓器件的模拟和测量的外壳温度差在6°C以内。

主要工作与贡献

（1）基于基础的损耗模型，通过迭代壳温的方式对结果进行优化，并考虑了有源与无源组件对损耗的影响。

（2）提出基于RC网络模型的时变功率变化对各节点温度的影响。

（3）低功率下损耗模型精度主要受无源组件的影响，但随着功率的上升，有源组件的影响成为主要因素。

主要研究内容

基于器件参数表及双脉冲测试平台得到的基础损耗模型如图1所示，在此基础上提出迭代模型如图2所示，对器件的壳温值进行优化，在3次迭代内器件的壳温均趋于稳定。

随后讨论各有源无源因素对损耗分布的影响，结果如图3所示，低功率下无源组件对损耗影响较大，但随着损耗的上升，有源因素逐渐成为影响损耗的主要因素。

(a) ig=20 mA时，不同漏极电流和连接温度下GIT的导通电阻

(b) 在反向导通过程中，Vds和id之间的关系

(c) 不同温度和漏源电压下开关损耗的曲线拟合

图1 基础损耗模型

图2 迭代模型

图3 各有源无源因素对损耗分布的影响

结论

本文系统地研究了逆变器损耗计算中的几个因素和考虑因素。这些因素包括寄生电容的影响、由时变功率损失引起的结温度的动力学、壳温度的估计，以及对滤波器损失的详细考虑。在低负荷和高负荷条件下，每个因素的影响都被量化了。

结果表明，在低负荷条件下，电感损耗是造成损耗差异的主要因素，而器件损耗和热模型随着负荷的增加而变得更加重要。

此外，还详细介绍了每个因素的实现，包括方程和仿真设置。提出并实现了一种计算时变功耗和结温度的方法。与基本损失模型相比，高负荷下测量和计算的损失差异从28%降低到了3%以下，低负荷下的损失差异从28%降低到了16%。

此外，氮化镓器件在测量和估计中的情况温度在6°C以内。该方法和结果使基于GaN的转换器的设计更加准确。

阅读心得

本文主要对基础损耗模型进行了一系列的优化，详细考虑了各主要影响因素在不同功率下对损耗的影响能力，且通过使用MATLAB及COMSOL进行迭代，给出了一种数据分析及仿真软件相结合的处理问题的思路，这对我们接下来工作的研究方法的选用具有一定的指导意义，且详细介绍了各类损耗的权重，在器件的损耗计算方面帮助我们开拓了新思路。