宽禁带器件在1 kV高频直流谐振变换器中的应用与对比

宽禁带器件在1 kV高频直流谐振变换器中的应用与对比

中文关键词:  宽禁带器件  SiC  GaN  DC-DC  高压  谐振变换器

作者                        单位

顾占彪                     中·国电子科技集团公司第十三研究所, 石家庄 050051

李志斌                     南京航空航天大学航空电源重点实验室, 南京 211106

石伟杰                     南京航空航天大学航空电源重点实验室, 南京 211106

唐家承                     南京航空航天大学航空电源重点实验室, 南京 211106

张之梁                     南京航空航天大学航空电源重点实验室, 南京 211106

任小永                     南京航空航天大学航空电源重点实验室, 南京 211106

中文摘要:

与传统硅Si（silicon）功率器件相比，第3代宽禁带功率半导体器件，如碳化硅SiC（silicon carbide）和氮化镓GaN（gallium nitride）功率器件，由于具有高功率密度、耐高温和抗辐照等特点，得到了越来越广泛的应用。分析了基于SiC和GaN的2种1kV输入、32 V/3kW输出的LLC谐振变换器，通过仿真和实验探究了变压器匝间电容对谐振电流的影响；并采取分离谐振腔、改变变压器绕组结构的方法，减小谐振电流的畸变，保证了开关管ZVS的实现。由于大匝比变压器难以平面化，2种变换器均采用原边串联、副边并联的矩阵变压器，实现自动均压、均流，降低电压和电流应力，提高功率密度和热稳定性。为了进一步提高效率，GaN LLC变换器副边采用同步整流。最后，本文从拓扑、损耗、整机尺寸、可靠性以及功率密度等方面对比分析了这2种变换器的优缺点，为器件的选择提供了参考依据。

内容节选：

随着输入电压和开关频率的提高，传统Si(sili-con)器件(如MOSFET)已经逐渐达到理论极限值[1-3]，因此在高压高频应用下已越来越多地被第3代宽禁带半导体器件如氮化镓GaN(gallium nitride)、碳化硅SiC(silicon carbide)等代替。第３代宽禁带半导体器件拥有更高的禁带宽度，理论上能够承受更高的电压，具有更高的辐照可靠性。其性能系数FOM(figure of merit)比Si器件低很多，使导通电阻Rds(on)(on-resistance)及门极充电电荷Qg更小，可以降低驱动以及开关和导通损耗。寄生电容的减小使开关速度显著提高，SiC器件与GaN器件分别能在几百kHz和M匀z级别的高频工作[4-7]。

这些优势使第3代宽禁带半导体器件得到越来越广泛的应用。文献[8]中给出了1个使用SiC器件，800V输入、500W输出的LLC谐振变换器，通过设计驱动电路，实现高驱动电压和驱动速度，建立损耗模型并分析，发现SiC MOSFET的驱动、导通和关断损耗均低于SiMOSFET，体现了SiC在高压高频应用中的良好特性；文献[9]介绍了SiC在6.6kW大功率下的应用，采用双向LLC变换电路，效率超过96%，功率密度达到56W/in3，体现了LLC电路在效率上的优势；文献[10]完成了1台Class椎2DC-DC开关频率为10MHz、18~24V输入、18W输出的实验样机，实现了GaN在超高频条件下的应用。

本文将主要分析2种1kV输入、32V/3kW输出的LLC谐振变换器，分别使用GaN和SiC半导体器件。在输入、输出条件相同的情况下，从拓扑、损耗、整机尺寸、可靠性和功率密度等方面进行对比，分析这2种变换器的优势和劣势。

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2020-3-20 09:55 上传

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链接：http://www.jops.cn/dy/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=201910160679&journal_id=dy