基于氮化镓器件的高频车载DC-DC变换器的研究

随着能源危机和环境污染的日益严重,节能而又环保的电动汽车(EV)变得越来越普及。车载DC-DC变换器作为电动汽车中高压动力电池和低压蓄电池之间的桥梁,对高效率和高功率密度的要求越来越高。氮化镓功率晶体管(GaN)具有开关速度快、寄生参数小、电气性能优越等优点,因此对提高车载DC-DC变换器的功率密度具有显著的优势。本文首先针对车载DC-DC变换器输入电压范围宽、输出电流大的特点,对几种常用拓扑进行分析比较,并选取了Buck+半桥LLC谐振变换器的两级式拓扑作为主电路。由于输出电流较大,后级采用多相LLC交错并联的结构,分析了LLC交错并联对减小输出纹波电流的优点。为了分析均流问题,本文采用基波分析法推导出LLC谐振变换器的输入输出增益特性,根据增益特性来计算谐振网络参数的误差对输出负载的影响,并给出了改善均流性能的参数优化方法。低压GaN晶体管存在驱动电压范围窄,开通门槛电压低的缺点。本文分析了高频工作时寄生参数对低压GaN晶体管驱动波形的影响,给出了改善驱动电路的方法。对于高压GaN晶体管,本文分析了级联结构的工作原理和封装带来的寄生参数对驱动的影响,并讨论了高压GaN晶体管的结电容对减小LLC死区时间、提高变换器效率的优势。基于理论分析,在实验室完成了一台320V输入、12V/160A输出、开关频率1MHz的原理样机,并与采用Si MOSFET器件的样机进行了效率对比实验。实验结果表明,采用GaN器件对提高车载DC-DC变换器的功率密度具有显著的优势。最后,本文对该变换器的各部分损耗进行了分析,并根据分析结果给出了进一步的效率优化方向。