高频高功率密度GaN多路输出变换器

摘要

随着科学技术的进步与发展，人类对太空的探索越来越深入，当前国家航空航天事业不断前进和发展，航天器在其中扮演着越来越举足轻重的角色，应用于航天卫星上的电子产品种类和数量越来越繁杂，不少用于通信和科研的星载设备都拥有不同的工作电压范围。为高效快速而又稳定地解决星载平台多种设备的供电要求，多路输出变换器成为主要的设计和研究对象。目前国内外常见的卫星平台供电的直流母线电压等级主要为28V，主要用于负载功率小于2KW的情况，未来随着星载设备的升级进步，负载功率要求将进一步提升。因此未来卫星平台的直流母线电压将提升至100V。 本文提出基于氮化镓器件的同步整流方案，考虑到氮化镓器件的栅源极电压要求比较高，一旦电压幅值高于6V，氮化镓器件极易损坏，因此和传统的MOSFET同步整流电路相比，氮化镓同步整流电路需增加额外的驱动芯片来实现稳定可靠驱动。同时本文还对多绕组平面变压器进行分析和优化，考虑到多绕组平面变压器的匝数和层数较多，需要找到最优的绕组排布结构，使其不仅能满足电路工作的需求，还能方便工艺制作，因此本文提出一种基于漏磁场能量筛选和有限元分析相结合的多绕组平面变压器的优化设计方法，先对磁芯窗口中漏磁场能量进行理论计算，筛选出漏磁场能量较小的绕组排布结构，然后在有限元分析软件Maxwell中对筛选出的结果进行建模仿真，找到漏感合适的绕组结构，并将其中能满足工艺制作要求的排布结构选出，从而得到合适的绕组排布结构。 本文搭建开关频率为1MHz的对地有源箝位三路输出正激变换器，额定输入电压为100V，三路输出参数分别为5V/6A，±12V/0.83A，总输出功率为50W。多绕组平面变压器绕组的总层数为16层，样机历经两轮制作和优化，经过对样机测试，所提自驱氮化镓同步整流方案能够可靠稳定运行，变压器原边漏感占激磁电感的比值低至0.6%，对主变压器的分析和设计也被证明可行。在满载条件下，全输入电压范围内，第二轮多路输出样机的闭环效率均大于87.2%，比第一轮样机提升1.0%。另外，第二轮样机的功率密度为28.5W/inch3，第一轮样机的功率密度为22.7W/inch3，相比第一轮样机，第二轮样机的功率密度提升接近25%。

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