基于GaN器件双向DC/DC变换器的研究

摘要

随着能源互联网与分布式电网的发展，未来电网正朝着以整合可再生能源、能源存储以及现代智能负载为目标的交直流混合动力网方向快速发展。使用电力电子装置的电力系统架构可以减少功率变换器的数量，提高系统效率和电能质量，提高系统控制的灵活性。双向DC/DC变换器作为直流微网中重要的接口以及储能系统中的核心设备，应当具有更高的功率密度和转换效率，使微网能够更好的运行，对于提升微网整体的效率和可靠性十分重要。因此，对双向DC/DC变换器进行研究具有重大意义。 本文将第三代功率半导体器件氮化镓(GaN)与双向DC/DC变换器相结合，设计了一种基于GaN器件的双向DC/DC变换器系统，可以提高储能变换器系统的功率密度和传输效率。本文对GaN功率器件进行了特性研究，包括静态特性、动态特性以及寄生参数对GaN器件的影响，对比了GS66508B和TPH系列GaN的特性，基于此设计了适用于GaN功率器件的驱动系统。并基于双有源桥拓扑结构，结合GaN器件的应用，设计了高效的双向DC/DC变换器，详细介绍了该系统的工作原理，推导并建立小信号模型，对双向DC/DC变换器的控制算法进行研究，对比分析了单移相控制和三重移相控制的工作过程以及功率特性。 本文对系统进行了硬件设计和软件设计，搭建了双向DC/DC变换器仿真电路模型，并且对GaN功率器件特性进行分析，在LTspice软件仿真平台上进行仿真，最后设计了一台功率为900W的实验样机，实验结果表明所设计的基于GaN器件双向DC/DC变换器可以实现功率的双向流动，提升了系统传输效率。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2国内外发展现状

1．2．1 GaN的发展现状

1．2．2双向DC／DC变换器的发展现状

1．3本文主要研究内容

第二章GaN功率器件的特性分析

2．1 GaN功率器件的静态特性

2．1．1 GS66508B的静态特性

2．1．2 TPH3205WS的静态特性

2．2寄生参数对GaN功率器件特性的影响

2．2．1双脉冲测试平台

2．2．2栅极电阻对GaN开关特性的影响

2．2．3寄生电感对GaN开关特性的影响

2．2．4寄生电容对GaN开关特性的影响

2．3 GaN的驱动电路设计

2．4本章小结

第三章双向DC／DC变换器的原理及其建模

3．1双向DC／DC变换器的工作原理

3．1．1 Buck工作模式

3．1．2 Boost工作模式

3．2 SPS控制方式分析

3．2．1 SPS控制的原理

3．2．2功率特性分析

3．3 TPS控制方式分析

3．3．1 TPS控制的原理

3．3．2功率特性分析

3．4双向DC／DC变换器的小信号模型

3．5闭环控制器设计

3．6本章小结

第四章双向DC／DC变换器系统设计

4．1系统主电路设计

4．1．1高频变压器设计

4．1．2 MOSFET选型

4．1．3电感和电容的计算

4．2驱动电路设计

4．3控制电路设计

4．4采样调理电路设计

4．5控制系统软件设计

4．6本章小结

第五章双向DC／DC变换器系统仿真与实验分析

5．1 GaN器件的双脉冲电路仿真与实验分析

5．2双向DC／DC变换器系统仿真与实验分析

5．2．1 SPS控制方式下的仿真与实验分析

5．2．2 TPS控制方式下的仿真与实验分析

5．3损耗分析

5．3．1 GaN与Si系统损耗对比

5．3．2不同控制方式下GaN系统损耗对比

5．4本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢