摘 要： 氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管具有開(kāi)關(guān)速度快、器件損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在高頻應(yīng)用場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高變換器效率和功率密度，將三角電流模式（TCM）調(diào)制用于基于GaN器件的單相逆變器中，通過(guò)控制負(fù)向電流與死區(qū)時(shí)間實(shí)現(xiàn)了全范圍零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），達(dá)到提高變換器效率和功率密度的目的。搭建了1臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TCM調(diào)制在不同負(fù)載條件下均可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，最大開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)300 kHz，峰值效率可達(dá)98.5%。

關(guān)鍵詞： 氮化鎵; 高電子遷移率晶體管; 單相逆變器; 三角電流模式; 零電壓開(kāi)關(guān)

中圖分類號(hào)： TM464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）02-0039-05

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.007

Research on TCM Control Strategy of Single-Phase Inverter Based on GaN

CHEN Yu ZHOU Baoding2

（1.Wuhan E-bian Electric Co.， Ltd.， Wuhan 430070， China;2.The 91184th Unit of PLA， Qingdao 26607 China）

Abstract： Gallium nitride （GaN） high electron mobility transistor （HEMT） has the advantages of fast switching speed and low device loss， and is widely used in high frequency applications. In order to further improve the efficiency and power density of the converter， the triangle current mode （TCM） modulation is applied to the single-phase inverter based on GaN device.The full range zero voltage switching （ZVS） is realized by controlling the negative current and dead time， so as to improve the efficiency and power density of the converter. A prototype is built for verification. The experimental results show that TCM modulation can achieve soft switching under different load conditions. The maximum switching frequency can reach 300 kHz， and the peak efficiency can reach 98.5%.

Key words： gallium nitride （GaN）; high electron mobility transistor（HEMT）; signal phase inverter; triangle current mode （TCM）; zero voltage switching （ZVS）

0 引 言

目前傳統(tǒng)硅器件遇到了發(fā)展瓶頸，其導(dǎo)通電阻已經(jīng)逼近理論極限，研發(fā)投入和取得收益不成正比，利用硅器件提高電力電子裝置性能已經(jīng)十分有限［1-6］。新材料的研發(fā)和使用逐漸成為新的研究方向，涌現(xiàn)出以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件［7-10］。由于高能量帶隙、高遷移率和高飽和速度等優(yōu)越的材料特性，GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）具有超低柵極電荷、低導(dǎo)通電阻和低結(jié)電容等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，GaN HEMT在高開(kāi)關(guān)頻率、高效率和高功率密度的場(chǎng)合中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步提高功率密度和效率，本文采用了一種三角電流模式（TCM ）調(diào)制方法，利用開(kāi)關(guān)管自身結(jié)電容和回路電感組成諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）技術(shù)。該方法結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，不須添加額外的輔助電路，與傳統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)相比，硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)都得到簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)［11］介紹了TCM調(diào)制在三重化PFC變換器中的應(yīng)用，分析了調(diào)制方法和三重化控制策略的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［12］介紹了采用交錯(cuò)并聯(lián)的圖騰柱無(wú)橋功率因素校正（PFC）的TCM調(diào)試實(shí)現(xiàn)方法，并且分析了在MHz開(kāi)關(guān)頻率下，移相控制在開(kāi)環(huán)狀態(tài)和閉環(huán)狀態(tài)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［13-15］ 為了解決傳統(tǒng)TCM調(diào)制固定開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的負(fù)面問(wèn)題，提出了一種準(zhǔn)固定開(kāi)關(guān)頻率TCM（QCFTCM）控制策略。文獻(xiàn)［16-17］針對(duì)低功率逆變器TCM調(diào)制時(shí)基波頻率波動(dòng)大的問(wèn)題，提出了一種改變正負(fù)向包絡(luò)線幅值的滯環(huán)控制方案。文獻(xiàn)［18-20］采用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)控制，解決了采用TCM調(diào)制模式對(duì)高頻信號(hào)的采樣控制問(wèn)題，但是這種方法對(duì)控制芯片的性能要求較高。

綜上所述，目前TCM調(diào)制模式在PFC應(yīng)用場(chǎng)合，尤其圖騰柱無(wú)橋PFC中更為廣泛成熟［1，13，21］。目前在逆變器應(yīng)用場(chǎng)合中較少，不同于PFC應(yīng)用場(chǎng)合，在逆變器中實(shí)現(xiàn)TCM調(diào)制難度較大，目前報(bào)道的研究成果也較少，因此研究逆變器應(yīng)用場(chǎng)合TCM調(diào)制方式具有重要的意義。

本文研究了一種基于TCM 調(diào)制的單相逆變器，詳細(xì)分析了工作模態(tài)，介紹了TCM實(shí)現(xiàn)過(guò)程，搭建1臺(tái)220 V/300 W 樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同負(fù)載條件下樣機(jī)均可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，降低了開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)關(guān)頻率、高效率和高功率密度。

1 單相逆變器TCM調(diào)制

1.1 單相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Udc為直流輸入電壓，Cdc為支撐電容，VT1～VT4為功率開(kāi)關(guān)管，L1、L2為輸出濾波電感，C為輸出濾波電容，R為負(fù)載。

1.2 TCM調(diào)制模態(tài)分析

半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。半橋電路TCM調(diào)制各工作模態(tài)示意如圖3所示。

狀態(tài)1：［t0，t1］時(shí)間段，VT1開(kāi)通，VT2關(guān)斷，電感L的電壓為Udc-Uo（t），電感電流iL（t）開(kāi)始線性增加。該階段電流變化率為

iL（t）=Udc（t）－Uo（t）L（t－t0）+iL（t0）（1）

狀態(tài)2：［t1，t2］時(shí)間段，VT1、VT2關(guān)斷，Coss1和Coss2與電感L開(kāi)始共振，在諧振期間Coss1被充電、Coss2被放電。當(dāng)Coss1充電到Udc，Coss2放電到零，諧振過(guò)程結(jié)束，此后電感電流通過(guò)VD2續(xù)流。

狀態(tài)3：［t2，t3］時(shí)間段，VT1關(guān)斷，VT2開(kāi)通，電感L的電壓為-Uo（t），電感電流iL（t）開(kāi)始線性減少。該階段的電流變化率為

iL（t）=－Uo（t）L（t－t2）+iL（t2）（2）

狀態(tài)4：［t3，t4］時(shí)間段電感電流iL持續(xù)下降，在t3時(shí)刻達(dá)到零，狀態(tài)4開(kāi)始，VT2繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)電感電流反向。

狀態(tài)5：［t4，t5］時(shí)間段，在負(fù)向電流達(dá)到給定值io后，關(guān)斷VT2，此時(shí)開(kāi)始諧振過(guò)程。該過(guò)程與［t1，t2］時(shí)間段相似，但電流方向相反，Coss1放電，Coss2充電，列寫(xiě)該過(guò)程的KCL、KVL電路方程。

LdiL（t）dt+us1（t）=Udc-Uo（t4）Cossd［us1（t）-Udc］dt=iL（t）（3）

由式（3）可得：

iL（t）=Udc-Uo（t4）-us1（t4）Znsinωot+

iL（t0）cosωot

us1（t）=-［Udc-Uo（t4）-us1（t4）］cosωot+

iL（t0）Znsinωot+Udc-Uo（t4）（4）

其中，Zn=L/2Coss，ωo=1/2LCoss，初始條件為

us1（t4）=UdciL（t4）=io（5）

將式（5）代入式（4）可化簡(jiǎn)為

iL（t）=-Uo（t4）Znsinωot+iocosωot

us1（t）=Uo（t4）cosωot+ioZnsinωot+

Udc-Uo（t4）（6）

令us1（t）min=0，可得到實(shí)現(xiàn)ZVS所需的最小初始電流iof的表達(dá)式為

iof=U2dc－2Uo（t4）UdcZn（7）

諧振時(shí)間tC的表達(dá)式為

tC=π－arcsin－Uo（t4）－UdcUo（t4）2+（2Cossωnio）2－arctanio2CossωnUo（t4）ωn（8）

狀態(tài)6：［t5， t6］時(shí)間段，iL通過(guò)VT1體二極管換相，電感L的電壓為Udc-Uo（t），此時(shí)電感電流iL（t）仍是負(fù)電流，但是電流逐漸減小，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的t0時(shí)刻，重新開(kāi)始新一輪循環(huán)。

半橋電路TCM調(diào)制下各個(gè)模態(tài)的波形示意如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)采用TCM調(diào)制單相逆變器實(shí)現(xiàn)零電壓過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作參數(shù)如表1所示;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

樣機(jī)實(shí)時(shí)頻率圖如圖6所示。通過(guò)示波器采集PWM波形，測(cè)量脈寬頻率，頻率的最大值為300 kHz。與傳統(tǒng)控制方法開(kāi)關(guān)頻率固定不同，本文的開(kāi)關(guān)頻率具備周期變頻特性，這樣有助于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)頻率較高。

輸出電壓和輸出電流波形如圖7所示。輸出電壓為220 V，輸出電流1.3 A ，輸出電壓和輸出電流波形質(zhì)量好，正弦度高，畸變小。

輸出電流和電感電流波形如圖8所示。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)負(fù)向電流，使逆變器在 TCM 模式下運(yùn)行。

ZVS實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)，能夠有效的降低開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器開(kāi)關(guān)頻率，提高功率密度。

變換器的效率曲線如圖10所示。將采用和未采用開(kāi)關(guān)管ZVS技術(shù)的效率進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明實(shí)現(xiàn)ZVS能夠有效提高變換器的效率，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率均高于未采用ZVS工況，峰值效率可以達(dá)到98.5%。由圖10可見(jiàn)，本文控制策略效率在全負(fù)載范圍內(nèi)都高于傳統(tǒng)控制方法，尤其在輕載的時(shí)候效率的優(yōu)勢(shì)較大。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了提高單相逆變器功率密度，最直接的辦法就是提高開(kāi)關(guān)頻率，但是提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，降低整體效率。本文提出基于TCM的調(diào)制策略，解決了傳統(tǒng)控制方法的不足，可以實(shí)現(xiàn)全范圍開(kāi)關(guān)管ZVS技術(shù)，提高了單相逆變器的效率和功率密度，最大開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到300 kHz，峰值效率可達(dá)98.5%。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20231024