信息学院傅旻帆教授与合作者提出基于氮化镓功率器件的高频DC/DC数控电源模块

我校信息学院先进电力与能源系统中心（CAPES）傅旻帆教授课题组设计出一款基于氮化镓器件的300瓦110V转24V高频DC/DC数控电源模块。相较于目前业界的最佳产品（SynQor的模块，峰值效率91%，功率密度80瓦每立方英寸），新模块可达到95.8%的峰值效率及195瓦每立方英寸的功率密度。近日，该研究中涉及的系统磁集成设计与数字控制方面相关成果已分别于电力电子领域顶级期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上在线发表。

随着当代社会电气化进程的推进，各类电能转换电路对效率与体积的要求越来越高。目前，第二代半导体功率器件（例如：硅基MOSFET和IGBT）的性能已达到其理论极限，以此为基础的电力电子变换器难以在效率与功率密度上有重大突破，而新兴的宽禁带功率器件，如氮化镓（GaN）器件，以其优良的性能日益受到研究人员的关注。但面对新型器件，电力电子变换器在器件选型、拓扑结构、控制模型、磁集成设计等方面仍存在诸多挑战，需要全新的设计思路来克服这些难题。

本课题主要基于高铁对高效率高功率密度电源的需求，为中国中车开发设计了一款基于氮化镓功率器件的数控DC/DC模块。该方案采用流行的2级系统架构（见图一）。前级Buck电路实现了输出调制，通过数控芯片使其工作在临界导通模式下，实现零电压开通，降低开关损耗。同时，并采用两相交错的负耦合电感，减小电流纹波，降低导通损耗。后级非调制LLC谐振变换器则用于实现隔离，其始终工作在最优效率点，天然具备软开关能力。在该模块的开发中，课题组基于有限元仿真，建立磁损耗模型，最终实现了平面耦合电感和变压器的优化设计。

该工作为傅旻帆教授与美国弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心（CPES）李泽元院士的课题组共同完成，傅旻帆为两篇文章的第一作者，上科大为第一完成单位，该项目还得到了中国中车的项目研发基金与上科大科研启动基金的支持。

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.

论文链接：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

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8635503

图一：提出的两级拓扑

图二：最终样机模块

图三：与SynQor模块对比