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基于GaN的双向DC-DC变换器特性分析及效率优化研究
| 论文题名： | 基于GaN的双向DC-DC变换器特性分析及效率优化研究 |
| 关键词： | 电动汽车;直流-直流变换器;高电子迁移率晶体管;氮化镓;传输效率 |
| 摘要： | 燃油汽车的应用极大改善人类的生活质量，但燃油汽车大量消耗不可再生能源，产生环境污染和噪声污染。针对这种情况，电动汽车应运而生。电动汽车具有能量高效利用，节能环保的优点，能够有效缓解能源危机。而双向DC-DC变换器作为电动汽车中能源转换关键部分，对其特性分析及效率优化具有重大研究意义。第三代宽禁带半导体氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)具有许多优异性能，将其应用到双向DC-DC变换器系统中具有很大优势。本文的重点是研究如何选用合适的开关器件和控制方式，使得双向DC-DC变换器系统得到更高的传输效率。 首先，选用Cascode GaN HEMT作为双向DC-DC变换器系统开关器件，对其静态特性和动态特性进行分析，并与Si MOSFET进行对比，结果表明Cascode GaN HEMT具有更好的静态特性和更低的功率损耗。 其次，对双向DC-DC变换器系统的单移相(SPS)控制和三重移相(TPS)控制两种控制方式进行研究，包括其工作原理、功率特性、软开关分析、小信号建模分析等，并详细给出其功率特性和电流应力模型。针对系统中电流应力问题，在TPS控制原理基础上提出一种电流应力优化控制策略，使其在符合软开关条件下，减小电流应力，提高系统传输效率。 再次，在考虑器件寄生参数条件下，提出了一种基于Cascode GaN HEMT的双向DC-DC变换器系统精细化损耗模型。将开关器件的开通、关断划分为不同的模态，研究Cascode GaN HEMT中寄生参数对系统损耗的影响，对系统动态工作过程进行分析。实验结果表明本文建立的损耗模型所得数值与实验真实损耗数值仅差约0.71%。 最后，利用Matlab和LTspice仿真软件建立仿真模型，设计并搭建了功率为0.9kW的双向DC-DC变换器实验平台，并针对本文选用Cascode GaN HEMT设计驱动系统，使用电流应力优化控制策略，能够使系统稳定运行，并且实验结果证明系统传输效率最高时能达到96.2%。 |
| 作者： | 祁树岭 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 高圣伟;章永生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津工业大学 |
| 学位年度： | 2020 |
| 正文语种： | 中文 |
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