基于GaN器件的單相逆變器TCM控制策略研究

摘 要： 氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管具有開關(guān)速度快、器件損耗小的優(yōu)點，在高頻應用場合得到廣泛應用。為了進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，通過控制負向電流與死區(qū)時間實現(xiàn)了全范圍零電壓開關(guān)（ZVS），達到提高變換器效率和功率密度的目的。搭建了1臺樣機進行驗證，實驗結(jié)果表明，TCM調(diào)制在不同負載條件下均可實現(xiàn)軟開關(guān)，最大開關(guān)頻率可達300 kHz，峰值效率可達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; 零電壓開關(guān)

中圖分類號： TM464

文獻標志碼： A

文章編號： 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、低導通電阻和低結(jié)電容等優(yōu)點。正因為這些優(yōu)點，GaN HEMT在高開關(guān)頻率、高效率和高功率密度的場合中得到越來越多的應用。

為了進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，利用開關(guān)管自身結(jié)電容和回路電感組成諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)開關(guān)管零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)。該方法結(jié)構(gòu)更加簡單，不須添加額外的輔助電路，與傳統(tǒng)軟開關(guān)技術(shù)相比，硬件結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)都得到簡化。文獻［11］介紹了TCM調(diào)制在三重化PFC變換器中的應用，分析了調(diào)制方法和三重化控制策略的數(shù)字實現(xiàn)。文獻［12］介紹了采用交錯并聯(lián)的圖騰柱無橋功率因素校正（PFC）的TCM調(diào)試實現(xiàn)方法，并且分析了在MHz開關(guān)頻率下，移相控制在開環(huán)狀態(tài)和閉環(huán)狀態(tài)的穩(wěn)定性。文獻［13-15］ 為了解決傳統(tǒng)TCM調(diào)制固定開關(guān)頻率帶來的負面問題，提出了一種準固定開關(guān)頻率TCM（QCFTCM）控制策略。文獻［16-17］針對低功率逆變器TCM調(diào)制時基波頻率波動大的問題，提出了一種改變正負向包絡線幅值的滯環(huán)控制方案。文獻［18-20］采用狀態(tài)觀測器對高頻信號進行觀測控制，解決了采用TCM調(diào)制模式對高頻信號的采樣控制問題，但是這種方法對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應用場合，尤其圖騰柱無橋PFC中更為廣泛成熟［1，13，21］。目前在逆變器應用場合中較少，不同于PFC應用場合，在逆變器中實現(xiàn)TCM調(diào)制難度較大，目前報道的研究成果也較少，因此研究逆變器應用場合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，詳細分析了工作模態(tài)，介紹了TCM實現(xiàn)過程，搭建1臺220 V/300 W 樣機進行驗證，實驗結(jié)果表明在不同負載條件下樣機均可實現(xiàn)軟開關(guān)，降低了開關(guān)損耗，實現(xiàn)了高開關(guān)頻率、高效率和高功率密度。

1 單相逆變器TCM調(diào)制

1.1 單相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

單相逆變器拓撲結(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為功率開關(guān)管，L1、L2為輸出濾波電感，C為輸出濾波電容，R為負載。

1.2 TCM調(diào)制模態(tài)分析

半橋拓撲結(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］時間段，VT1開通，VT2關(guān)斷，電感L的電壓為Udc-Uo（t），電感電流iL（t）開始線性增加。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］時間段，VT1、VT2關(guān)斷，Coss1和Coss2與電感L開始共振，在諧振期間Coss1被充電、Coss2被放電。當Coss1充電到Udc，Coss2放電到零，諧振過程結(jié)束，此后電感電流通過VD2續(xù)流。

狀態(tài)3：［t2，t3］時間段，VT1關(guān)斷，VT2開通，電感L的電壓為-Uo（t），電感電流iL（t）開始線性減少。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］時間段電感電流iL持續(xù)下降，在t3時刻達到零，狀態(tài)4開始，VT2繼續(xù)導通，此時電感電流反向。

狀態(tài)5：［t4，t5］時間段，在負向電流達到給定值io后，關(guān)斷VT2，此時開始諧振過程。該過程與［t1，t2］時間段相似，但電流方向相反，Coss1放電，Coss2充電，列寫該過程的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，可得到實現(xiàn)ZVS所需的最小初始電流iof的表達式為

iof=U2dc－2Uo（t4）UdcZn（7）

諧振時間tC的表達式為

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

狀態(tài)6：［t5， t6］時間段，iL通過VT1體二極管換相，電感L的電壓為Udc-Uo（t），此時電感電流iL（t）仍是負電流，但是電流逐漸減小，直到下一個開關(guān)周期的t0時刻，重新開始新一輪循環(huán)。

半橋電路TCM調(diào)制下各個模態(tài)的波形示意如圖4所示。

2 實驗驗證

為了對采用TCM調(diào)制單相逆變器實現(xiàn)零電壓過程進行驗證，搭建了試驗樣機進行驗證。實驗平臺的工作參數(shù)如表1所示;實驗平臺如圖5所示。

樣機實時頻率圖如圖6所示。通過示波器采集PWM波形，測量脈寬頻率，頻率的最大值為300 kHz。與傳統(tǒng)控制方法開關(guān)頻率固定不同，本文的開關(guān)頻率具備周期變頻特性，這樣有助于實現(xiàn)軟開關(guān)，并且開關(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。通過控制開關(guān)頻率實現(xiàn)負向電流，使逆變器在 TCM 模式下運行。

ZVS實驗波形如圖9所示。實現(xiàn)了開關(guān)管零電壓開關(guān)，能夠有效的降低開關(guān)損耗，提高變換器開關(guān)頻率，提高功率密度。

變換器的效率曲線如圖10所示。將采用和未采用開關(guān)管ZVS技術(shù)的效率進行對比實驗，表明實現(xiàn)ZVS能夠有效提高變換器的效率，在整個負載范圍內(nèi)效率均高于未采用ZVS工況，峰值效率可以達到98.5%。由圖10可見，本文控制策略效率在全負載范圍內(nèi)都高于傳統(tǒng)控制方法，尤其在輕載的時候效率的優(yōu)勢較大。

3 結(jié) 語

為了提高單相逆變器功率密度，最直接的辦法就是提高開關(guān)頻率，但是提高開關(guān)頻率會增加開關(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，可以實現(xiàn)全范圍開關(guān)管ZVS技術(shù)，提高了單相逆變器的效率和功率密度，最大開關(guān)頻率可以達到300 kHz，峰值效率可達98.5%。

【參 考 文 獻】

［1］ MARXGUT C， KRISMER F， BORTIS D， et al. Ultraflat interleaved triangular current mode （TCM） single-phase pfc rectifier［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（2）：873-882.

［2］ 戴向陽， 徐玉珍， 萬陸峰. 全橋CLLC諧振變換器過諧振工況下電流等效簡化模型［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（7）：10-17.

［3］ GHASSEMI M. High power densitytechnologies for large generators and motors for marine applications with focus on electrical insulation challenges［J］.High Voltage，2020，5（1）：7-14.

［4］ 林智偉， 毛行奎， 陳奇， 等. 基于SiC的圖騰柱無橋PFC電路過零點電流尖峰研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（2）：16-21.

［5］ 江心怡， 陳艷峰.基于Kalman濾波技術(shù)的超高頻變換器穩(wěn)態(tài)特性分析［J］.廣東電力，2022，35（5）：33-41.

［6］ 夏瀟， 龔春陽， 包俊， 等.寬增益高效率LLC諧振變換器拓撲［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2023，51（3）：99-107.

［7］ KASPER M J， PELUSO L， DEBOY G， et al. Ultra-high power density server supplies employing gan power semiconductors and pcb-integrated magnetics［C］//CIPS 2020，11th International Conference on Integrated Power Electronics Systems，2020：1-8.

［8］ NEUMAYR D， BORTIS D， KOLAR J W. The essence of the little box challenge-part A：Key design challenges amp; solutions［J］.CPSS Transactions on Power Electronics and Applications，2020，5（2）：158-179.

［9］ LIU T， CHEN C， XU K， et al. GaN-based megahertz single-phase inverter with a hybrid TCM control method for high efficiency and high-power density［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2020，36（6）：6797-6813.

［10］ FREBEL F， BLEUS P， BOMBOIR O， et al. Transformer-less 2 kW non isolated 400VDC/230VAC single stage micro inverter［C］//2016 IEEE International Telecommunications Energy Conference （INTELEC），2016：1-6.

［11］ MARXGUT C， BIELA J， KOLAR J W. Interleaved triangular current mode （TCM） resonant transition， single phase PFC rectifier with high efficiency and high power density［C］//The 2010 International Power Electronics Conference-ECCE ASIA，2010：1725-1732.

［12］ LIU Z， HUANG Z， LEE F C， et al.Digital-based interleaving control for GaN-based MHz CRM totem-pole PFC［J］.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2016，4（3）：808-814.

［13］ HARYANI N， BURGOS R， BOROYEVICH D. Variable frequency and constant frequency modulation techniques for GaN based MHz H-bridge PFC［C］//2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC），2015：1889-1896.

［14］ 張玉斌， 楊張斌， 溫英科， 等.模塊化多電平變換器電熱耦合模型研究［J］.高壓電器，2022，58（7）：119-127.

［15］ 趙明， 陳建良， 韓偉健， 等.基于TCM控制的多相交錯并聯(lián)Buck/Boost軟開關(guān)變換器的變頻范圍優(yōu)化方法［J］.中國電機工程學報，2022，42（22）：8265-8276.

［16］ ZHANG Q， HU H， ZHANG D， et al. A controlled-type ZVS technique without auxiliary components for the low power DC/AC inverter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（7）：3287-3296.

［17］ 許科. GaN器件逆變器的TCM控制研究［D］.武漢：華中科技大學，2020.

［18］ MANTHEY F， GORODNICHEV A， LANGNES E， et al. Model-based control of an inverter for wide range soft-switching operation［C］//PCIM Europe 2019;International Exhibition and Conference for Power Electronics， Intelligent Motion， Renewable Energy and Energy Management，2019：585-592.

［19］ 焦建立， 向新宇， 薛陽， 等.基于改進下垂控制的直流微電網(wǎng)功率均衡策略［J］.浙江電力，2022，41（6）：32-36.

［20］ 張光宗， 王春芳， 李厚基， 等. 基于三角電流模式的雙有源橋變換器［J］.廣東電力，2020，33（5）：76-86.

［21］ ZHANG Y， CHEN C， LIU T， et al. A high efficiency model-based adaptive dead-time control method for GaN HEMTs considering nonlinear junction capacitors in triangular current mode operation［J］.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2022，8（1）：124-139.

收稿日期： 20231024