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基于氮化镓晶体管的高频车载DC-DC变换器的研究
| 论文题名： | 基于氮化镓晶体管的高频车载DC-DC变换器的研究 |
| 关键词： | 电动汽车;氮化镓晶体管;DC-DC变换器;平滑切换;电流控制 |
| 摘要： | 随着全球的工业体量与汽车数量的不断攀升，石油资源枯竭和汽车尾气排放造成的大气环境污染等问题给传统汽车发展带来了极大的制约，电动汽车（Electric Vehicle，EV）以其零污染和零排放的优势成为世界各国重点关注的新兴产业[1-4]。车载变换器是车载动力系统的重要组成部分，包括车载双向DC-DC变换器和车载DC-DC变换器，它们在电动汽车行驶过程中的作用至关重要。氮化镓功率晶体管(GaN)具有开关速度快、寄生参数小、电气性能优越等优点，因此对提高车载变换器的功率密度具有显著的优势。 本文首先介绍了电动汽车的发展在未来对于改善生活环境的重要意义和当前电动汽车动力系统的发展现状及存在的问题。针对高压GaN晶体管在LLC感性区域不完全ZVS开通和LLC在过载或短路时会进入ZCS容性区域的现象，讨论了高压GaN晶体管在容性区域相比于传统Si MOSFET工作状态的特点，并给出了高压GaN晶体管工作在LLC感性区域和容性区域的对比实验，得出虽然GaN晶体管能工作在容性区域但是其效率相对较低的结论。 考虑到电动汽车车载空间狭小等特点，选取了适应高频工作来减小体积的LLC双向变换器作为双向DC-DC变换器的研究对象。基于LLC双向变换器正反向工作时各自的特点，对比分析了高压GaN晶体管相比于传统Si MOSFET在LLC谐振变换器中的优势，并优化设计了谐振网络参数。为了提高电动汽车的续航能力，提出了电动汽车轻载或空载时车载LLC双向变换器的改进型Brust模式控制策略和电磁制动时平滑切换回馈能量的控制策略。制作了一台基于高压GaN晶体管，最大开关频率1MHz的实验样机，实验样机正向峰值效率达97％。 基于电动汽车车载DC-DC变换器输出电流大的特点，优化设计了变压器和电感，有效的减小了变换器的高度并将变压器漏感控制在1‰以内。基于电动汽车车载DC-DC变换器输入电压范围宽和输出负载变化大的特点，选取了峰值电流控制，有效的提高了变换器的动态响应和抗输入扰动能力。分析了GaN晶体管相比于传统的Si MOSFET在硬开关条件下的优势，得出了应用GaN晶体管能提高车载DC-DC变换器效率的结论。完成了一台开关频率90kHz，输出功率1.2kW，适用于90V~120V的实验样机，并给出了GaN器件相比于传统Si MOSFET的损耗分析，显示出了GaN器件能有效的提高车载DC-DC变换器的效率。 |
| 作者： | 向俊霖 |
| 专业： | 电力电子与电力传动 |
| 导师： | 任小永 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南京航空航天大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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