我校信息學(xué)院先進(jìn)電力與能源系統(tǒng)中心（CAPES）傅旻帆教授課題組設(shè)計(jì)出一款基于氮化鎵器件的300瓦110V轉(zhuǎn)24V高頻DC/DC數(shù)控電源模塊。相較于目前業(yè)界的最佳產(chǎn)品（SynQor的模塊，峰值效率91%，功率密度80瓦每立方英寸），新模塊可達(dá)到95.8%的峰值效率及195瓦每立方英寸的功率密度。近日，該研究中涉及的系統(tǒng)磁集成設(shè)計(jì)與數(shù)字控制方面相關(guān)成果已分別于電力電子領(lǐng)域頂級(jí)期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上在線(xiàn)發(fā)表。

隨著當(dāng)代社會(huì)電氣化進(jìn)程的推進(jìn)，各類(lèi)電能轉(zhuǎn)換電路對(duì)效率與體積的要求越來(lái)越高。目前，第二代半導(dǎo)體功率器件（例如：硅基MOSFET和IGBT）的性能已達(dá)到其理論極限，以此為基礎(chǔ)的電力電子變換器難以在效率與功率密度上有重大突破，而新興的寬禁帶功率器件，如氮化鎵（GaN）器件，以其優(yōu)良的性能日益受到研究人員的關(guān)注。但面對(duì)新型器件，電力電子變換器在器件選型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制模型、磁集成設(shè)計(jì)等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)，需要全新的設(shè)計(jì)思路來(lái)克服這些難題。

本課題主要基于高鐵對(duì)高效率高功率密度電源的需求，為中國(guó)中車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款基于氮化鎵功率器件的數(shù)控DC/DC模塊。該方案采用流行的2級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)（見(jiàn)圖一）。前級(jí)Buck電路實(shí)現(xiàn)了輸出調(diào)制，通過(guò)數(shù)控芯片使其工作在臨界導(dǎo)通模式下，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，降低開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，并采用兩相交錯(cuò)的負(fù)耦合電感，減小電流紋波，降低導(dǎo)通損耗。后級(jí)非調(diào)制LLC諧振變換器則用于實(shí)現(xiàn)隔離，其始終工作在最優(yōu)效率點(diǎn)，天然具備軟開(kāi)關(guān)能力。在該模塊的開(kāi)發(fā)中，課題組基于有限元仿真，建立磁損耗模型，最終實(shí)現(xiàn)了平面耦合電感和變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該工作為傅旻帆教授與美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心（CPES）李澤元院士的課題組共同完成，傅旻帆為兩篇文章的第一作者，上科大為第一完成單位，該項(xiàng)目還得到了中國(guó)中車(chē)的項(xiàng)目研發(fā)基金與上科大科研啟動(dòng)基金的支持。

M. Fu, C. Fei, Y. Yang, Q. Li*, and Fred C. Lee, “Optimal Design of Planar Magnetic Components for A Two-Stage GaN-Based DC/DC Converter,IEEE Transactions on Power Electronics,early access.

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8392748

M. Fu*,C. Fei, Y. Yang, Q. Li,and Fred C.Lee,“A GaN-Based DC/DC Module for Railway Applications: Design Consideration and High-Frequency Digital Control,IEEE Transactions on Industrial Electronics,early access

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8635503

圖一：提出的兩級(jí)拓?fù)?/p>

圖二：最終樣機(jī)模塊

圖三：與SynQor模塊對(duì)比