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近年來，無論在航空航天、電動(dòng)汽車車載充電器還是通信電源等領(lǐng)域，均對開關(guān)電源提出了更高要求，即提高效率和功率密度。提高變換器的效率可以從兩點(diǎn)出發(fā)：一是對電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)；二是選擇損耗更低的開關(guān)器件和磁性元件。同理，提高變換器的功率密度一方面可以選擇具有更小體積的功率器件；另一方面可減小磁性元件的體積。

傳統(tǒng)的DC-DC變換器分非隔離型和隔離型，非隔離型主要包括Buck、Boost及Buck-Boost等經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而隔離型主要包括正反激、推挽、半橋及全橋結(jié)構(gòu)，其中全橋、正激變換器通常在大功率場合使用，而中小功率場合一般采用反激或半橋結(jié)構(gòu)。

以上變換器均屬于脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）變換器，通過改變功率管的占空比來實(shí)現(xiàn)變換器直流增益的改變，通常為硬開關(guān)變換器，在功率管附近增加輔助電路的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，但較為復(fù)雜。

不同于PWM硬開關(guān)變換器，諧振變換器因能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，其工作原理是通過改變變換器的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)直流增益。LLC諧振式DC-DC變換器的諧振元件主要為諧振電感和諧振電容，具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。

與PWM型直流變換器相比，LLC諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switch, ZVS）和零電流軟開關(guān)（Zero Current Switch, ZCS），在一定程度上減小了由開關(guān)管在開關(guān)狀態(tài)切換過程中產(chǎn)生的開關(guān)損耗以及二極管的反向恢復(fù)損耗。此外，可將諧振電感集成于變壓器中（用漏感取代），能夠有效減小變換器磁性元件的體積。

近年來，隨著半導(dǎo)體材料及技術(shù)的快速發(fā)展，制約開關(guān)變換器性能提高的瓶頸逐漸被打破。目前，開關(guān)變換器較常用的都是Si基晶體管，然而，采用Si基材料的功率開關(guān)管經(jīng)歷了七十多年的發(fā)展，其理論較為成熟，性能逐漸逼近其極限，在未來其材料性能很難有較大的提升。

表1給出了Si、SiC及GaN材料性能比較，通過相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，GaN器件的高帶隙能量、電子遷移率、臨界擊穿電場和熱導(dǎo)率相對于其他兩種來說較高，這說明GaN器件導(dǎo)電性能好，具有極小的通態(tài)電阻、極高的開關(guān)速度等特點(diǎn)，因此基于GaN材料制造的半導(dǎo)體功率器件在開關(guān)頻率、溫升以及損耗等方面的性能都超過Si器件，存在較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表1 Si、SiC和GaN材料性能比較

自第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件GaN問世以來，國內(nèi)眾多高校紛紛投入研究，越來越多地將GaN器件應(yīng)用在直流變換器。西安交通大學(xué)學(xué)者建立了增強(qiáng)型GaN器件的損耗模型，詳細(xì)分析了基于GaN器件的Buck變換器損耗；對基于GaN器件的LLC諧振變換器的開關(guān)過程及磁性元件展開研究，并對平面變壓器的繞組分布方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，之后不少學(xué)者又將其應(yīng)用于LLC諧振變換器中。南京航空航天大學(xué)的學(xué)者提出了改善基于GaN器件的LLC變換器的可靠性和效率的方法。

西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院的研究人員在眾多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合GaN器件以及平面變壓器的優(yōu)秀性能，進(jìn)一步對LLC諧振變換器展開研究。為了提高效率和功率密度，將GaN器件和平面變壓器以及同步整流技術(shù)應(yīng)用于LLC諧振變換器。

圖1 電路設(shè)計(jì)實(shí)物

他們分析了基于GaN器件的LLC諧振變換器工作原理，得到變換器的數(shù)學(xué)模型，分析了變換器增益曲線；建立了高頻工作條件下的寄生電感模型，對功率回路進(jìn)行了優(yōu)化處理；在Ansys Maxwell電磁仿真軟件中建立平面變壓器的仿真模型，模擬了變壓器繞組工作過程中的電流密度，并采用Ansys Q3D對寄生電感等參數(shù)進(jìn)行了提??；另外還對平面變壓器的交流阻抗和漏感等參數(shù)進(jìn)行了提取。

研究人員最后加工了一臺(tái)采用GaN器件的變換器樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了GaN器件可以大幅度地提高變頻器的效率和功率密度。

本文編自2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“基于GaN器件的高頻高效LLC諧振變換器”，作者為童軍、吳偉東 等。