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利用GaN器件预先确定大功率模块化DC/DC转换器的尺寸

发表时间:2024-01-20 16:53作者:飞捷士

最近,飞机设计正朝着更加电动的飞机(MEA)范式转变,即增加使用电能而不是气动和液压能量来为机载系统提供动力。MEA的实现具有一些不可否认的优势,例如能源效率和低成本维护,这从空中客车A380或波音787等近期飞机中越来越多的实现中可见一斑。为了实现这一点,必须对电源架构进行重大修改,以确保最佳性能。

该电源架构基于多种互连且电气隔离的机载电网。此外,还有两个网络电压等级:为控制设备供电的28VDC标准低压直流(LVDC)总线和为动力执行器供电的270VDC/540VDC高压直流(HVDC)总线。电源转换是实现更加电气化方法的关键,概括了从基于直接适配元器件的单个转换器转变到采用最合适元器件来实现给定规格的多转换器架构的可量化优势。

MEA面临的主要挑战是开发更小、更轻的电源系统,因此该架构将以功率密度和功率重量比为中心。根据参考文献,宽禁带技术可通过使用GaN和SiC器件的组合实现高达2kW/kg的功率重量比。使用GaN器件还可以降低功率损耗,从而有助于提高转换效率并减小散热管理系统的尺寸。它们还可以承受更高的结温。

在这种情况下设计双有源电桥(DAB)可满足具体需求,因为它进一步满足了电气隔离、高功率密度、高额定功率和高效率的要求。考虑到GaN器件的使用,基于低功耗基本模块串并联的模块化架构成为必需(图1)。

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图1:模块化转换器的示意图,它通过基本模块的输入串联输出并联关联,以实现540V至28V转换。(图片来源:ScienceDirect)

模块化电源架构仿真

通过仿真对MEA实现中LVDC和HVDC网络互连所涉及的电力电子器件进行设计,比通过繁琐、昂贵的实现和测试来获得技术进步更为方便。电源转换功能是通过基本模块的组合来执行的。它们基于DAB技术,并使用单相移控制策略进行控制。图2概述了模型中DAB转换器的11个宏观参数。

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图2:DAB转换器的设计参数表。(图片来源:ScienceDirect)

所生成的模型还考虑了与半导体(GaN器件)和磁性器件等相关的多种损耗。将晶体管传导损耗、死区期间的反向传导损耗、铁损、铜损等因素考虑进去,对于确定模型的功率重量比也至关重要,因为这是关注的主要性能因素。参考文献中的论文通过几个方程来计算由于传导损耗和铁损等引起的功率损耗。这些方程在计算功率重量比时发挥了累积作用。

同样,论文中做出了一些设计决策以显著减少损耗:

  • 使用平面变压器,因为其能满足现代电力电子限制集肤效应和邻近效应的要求;

  • 并联绕组可减少低电压下的铜损和电流密度。

该仿真模型设计还对质量估计模型进行了计算。所生成的模型必须能够通过实验中所使用的几个性能标准——优化则是后续要求。

将优化灌输到模型中

要继续优化过程,必须优先考虑添加物理约束,特别是考虑变压器。这个过程包括引入系数和常数,这些系数和常数为方程奠定了现实基础,能够帮助它们满足电力电子的要求。

仿真模型设计的优化是使用粒子群优化算法进行的。所需的优化涉及功率重量比。在执行优化算法时,要调整参数产生3个最优解和1个次优解。最优方案中,案例A采用E43铁氧体磁芯,案例B采用E58铁氧体磁芯,案例C则采用E64磁芯。

案例B的功率重量比高达4.5kW/kg,是最先进技术的两倍。因此,无论与飞机实现和测试的关联如何,GaN晶体管都可以为电力电子领域的重大进步开辟道路。同时,案例C具有更大的磁芯,因此可实现更大的低压电流并可以省去绕组电容器,但这反过来会限制开关频率。案例A具有较小的磁芯,低压电流显著降低,从而降低了铜损,但增加了GaN驱动能量和磁芯损耗。

与案例B相比,次优解决方案的功率密度较低,但效率提高了0.5个百分点。

请注意,有两种适合审查的绕组配置有助于实现高谐振频率,从而实现高开关频率。

所提出模型的实验验证和结果

验证实现假设是接下来的关键步骤。为此,必须检查是否可以使用相同的栅极驱动器驱动至少四个GaN晶体管,并以可忽略的寄生电感和低电阻连接进行布线。还应该验证基于每个电桥单个散热器的散热管理。

第一个实验包括:

  • 基于GaN系统和EPC器件的高压和低压电桥;

  • 1.9kW的DAB,频率为304kHz。

从实现结果可见,在300kHz频率下测量结果与模型之间存在约15%的差异。这种差异归因于建模是在2D中完成的,而变压器则是在3D中完成的。然而,减少质量的目标仍然得到了基本实现。基于仿真的方法通用且快速,可用于检查关于电源转换器中所使用的各种元器件的技术特性演变所定义的最佳值。这里实现的性能指数结果是使用GaN新器件的结果,特别是考虑到它们的并行化。


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