基于宽禁带功率器件的高效率Boost型PFC整流器设计与实现

发布时间：2020-08-09 09:16

【摘要】：重复脉冲强磁场作为一种特殊的强磁场在经颅磁刺激、核磁共振、太赫兹辐射等领域得到了广泛的应用。在重复脉冲强磁场装置中,重复脉冲放电的频率往往会被充电电源的功率等级所限制。重复脉冲强磁场电源装置通常由前级PFC整流器和后级DC-DC变换器的两级拓扑组成,本文介绍了Boost型PFC整流器的发展历程及国内外研究现状,并针对不同功率等级的重复脉冲强磁场电源装置,分别设计了基于GaN器件的5kW交错并联图腾柱整流器和基于SiC MOSFET的20kW维也纳整流器。图腾柱整流器是重复脉冲强磁场电源装置的理想前级PFC整流器拓扑,将GaN器件应用其中可将其功率等级提升至几千瓦。对5kW交错并联图腾柱整流器进行了元件选型和系统损耗分析,提出一种分布式的散热设计提升系统散热能力;对GaN器件独特的物理构造及开关特性进行分析,设计了一种在动态和稳态过程具有不同驱动阻抗的低损耗高速驱动电路,并通过双脉冲测试对GaN器件及驱动电路的动态特性进行测试,证实其在400V/12A工作条件下可实现10ns内开关。维也纳整流器是一种三相三电平Boost型PFC整流器,其功率等级可达几十千瓦。本文对20kW维也纳整流器的散热系统进行整体优化设计,将开关频率提升至140kHz,大幅减小磁性元件的体积;将T-Type电路的调制方法应用其中,实现对背靠背SiC MOSFET器件的独立控制,消除了过零点区域的电压尖峰问题;完善两级EMI滤波器设计,降低系统高频共模噪声,并通过加入阻尼电阻的方式增加相位裕度,提高系统的稳定性;提出功率器件双列排布的方式,将功率回路中的寄生电感减少25%。搭建5kW交错并联图腾柱整流器和20kW维也纳整流器样机。经测试,图腾柱整流器在5.4kW交错并联DC-DC实验中,满载效率高达99.1%,GaN器件外表温度不超过50.6~oC;维也纳整流器在21kW实验中,满载效率可达98.5%,SiC MOSFET器件外表温度不超过68.7 ~oC。上述实验结果验证了本文设计的可靠性与有效性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM461
【图文】：

散热设计

= × (2 = × (2布式热设计的分析中可以得到 GaN 器件产生的总损耗高达 31.7W，占系统总系统中最主要的损耗来源。同时，GaN 器件的工作结温可以达到 105oC设计中重点优化对 GaN 器件的散热设计。了充分利用散热器性能，引入分布式散热的理念，将热源分布在散热 GaN 器件的散热效果。如图 2-9，两个 GaN 半桥被设计成分立式子热器两侧，既能够增强散热效果，又能直接对 GaN 半桥进行双脉冲测实际工况的器件性能测试结果。本文中的四个MOSFET为底端散热的居 PCB 板两侧，通过在 PCB 板的大面积覆铜和导热孔将 MOSFET 器。

散热设计,三维模型,通道,覆铜

况的器件性能测试结果。本文中的四个MOSFET为底端B 板两侧，通过在 PCB 板的大面积覆铜和导热孔将 M图 2-9 分布式散热设计器硬件电路中，GaN 半桥子卡及散热器位于 PCB 板中中可产生近 13W 的损耗，占总损耗的 19%，因此需要将以增强散热效果。同时，风道末端的 EMI 滤波器也能得

高速驱动,半桥电路,三维模型,反向电压

华中科技大学硕士学位论文 = ; = × (2.24) = ; = ( ) × (2.25) = (2.26)在驱动电压由 VP到 0 时，会产生一个大小如式 2.27 的反向电压。 (0 ) = × (2.27)由于本文中驱动电路会继续提供一个大小为 VN的反向电压，且通常 VN>VF，因此（0-）时 VG恒等于 VN，在本设计中 VN= -6V。如图 2-16 所示为带有高速驱动电路的 GaN 半桥电路三维模型。

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