MHz GaN电力电子变换器振荡现象分析及稳定性研究

Power electronic equipment are still developing towards high efficiency and high power density. High power densities can be achieved by high frequencies. However, it is difficult to increase the power density by increasing frequency excessively for Si devices. Gallium Nitride (GaN) HEMT can operate efficiently at higher switching frequencies. But there will be extremely high di/dt and dv/dt which can lead to large-scale oscillations with the increased switching frequency to MHz and the application of GaN devices. What’s more, this problem can last in the whole high-frequency period and even diverge, causing instability. This project is aimed to study the stability problem about the GaN devices oscillations. Firstly, complete mathematical models will be built which are suitable for GaN-based DC-converter in both normal and oscillating situations. Secondly, a modified criterion for oscillators and oscillation suppressing methods will be proposed based on the studying of the oscillation inducements as well as oscillation stability criteria. Thirdly, low-loss switching schemes will be designed for the DC-converter composed of GaN half-bridge modules and a stable-operating DC-converter with 1MHz switching frequency and 90% efficiency will be developed. The achievements of this project will provide essential design references for the wide application of GaN devices.

电力电子装置依然向高效率、高功率密度方向发展。高频化可实现高功率密度，但对于Si器件而言，过度提高频率未必能提高功率密度。近年来，氮化镓（Gallium Nitride, GaN）HEMT可以在更高的开关频率下高效工作，但随着开关频率提高至MHz以及GaN器件的应用，电力电子变换器中会出现非常高的di/dt和dv/dt，这时电路中出现大幅振荡现象，该现象一旦发生，有可能持续整个高频周期，甚至发散，出现不稳定现象。本项目将针对GaN器件振荡及其相关的稳定性问题展开研究，建立正常/振荡工况的GaN直流变换器电路完整的数学分析模型；研究振荡诱因及振荡稳定性准则，提出衍生的振荡器稳定性判定方法及振荡抑制措施；进行基于GaN半桥模块紧凑性设计的直流变换器电路低损开关方案设计，完成1套1MHz以上、效率90% 稳定运行的GaN直流变换器研制。本项目的研究成果将为GaN器件的广泛应用提供重要的设计参考。

GaN器件由于具有导通电阻低、结电容小等特性，使其可在高频条件下保持高效工作，满足电子电子装置高频高功率密度的发展需求。但是随着开关频率提高至MHz，GaN基电路中会出现高的di/dt和dv/dt，导致器件开关过程中出现大幅持续振荡现象，进而严重影响电路的稳定性。本项目拟针对GaN电力电子电路，全面解决由于高的di/dt和dv/dt引起电气量高频持续振荡的不稳定问题，突破振荡工况下数学分析模型建立、负电导模型建立、高频振荡抑制、低损开关方案等关键技术。项目研究内容从理论到应用逐级深入：. 首先精确提取了电路寄生参数，建立GaN器件振荡工况下开关过程的数学分析模型。然后研究GaN器件的振荡稳定性，从电路稳定性角度进行创新，提出了一种适用于任意GaN基电路的负电导模型，分析电路的稳定性条件，并提出了基于振荡小信号模型改进的振荡稳定判据，分析环路电导的极性和大小以得到电路的稳定性以及稳定度。为抑制GaN基电路的开关振荡，进而提出了环路电导适配器的新概念，并提出了分别在主功率回路和驱动回路串联或并联环路电导适配器的创新方法。其中，主功率回路中并联环路电导适配器的方法优于串联方法，并且在桥臂处并联呈现最优振荡抑制效果；驱动回路中并联环路电导适配器的方法较串联方法也呈现更优的振荡抑制效果。最后，针对GaN基变换器提出了低损开关方案，一方面针对变换器中的寄生参数进行优化设计以得到变换器高频工作下的紧凑型布局，另一方面采用优化的控制策略有效降低了器件的开关损耗。. 本项目的研究成果将为GaN器件的广泛应用提供重要的设计参考，可应用于光伏发电系统、电动汽车系统、数据中心等。