文章摘要

本文研究了四個經常被忽略的因素對基于GaN的全橋逆變器損耗模型的影響：器件的寄生電容、時變功耗（Ploss）下的結溫度（Tj ）動力學、殼溫度估計以及對無源元件的詳細考慮。提出并實施了考慮上述因素的換流器損耗計算模型。

采用氮化鎵高電子遷移率晶體管的4.5kW硬開關逆變器原型，實驗證明了各因素對逆變器損耗模型的影響。在低負荷條件下，逆變器損耗模型的精度主要受無源組件的影響，而隨著輸出功率的增加，有源組件的熱模型和損耗模型成為主要因素。

結果表明，考慮上述因素后，在重載（Po = 4.5 kW）下，計算和測量的轉換器損失差異從30.6 W（28%）減少到2.5W（小于3%)，而在輕負載（Po = 500 W）下，從3.9 W（28%）降低到2.6 W（16%）。此外，氮化鎵器件的模擬和測量的外殼溫度差在6°C以內。

主要工作與貢獻

（1）基于基礎的損耗模型，通過迭代殼溫的方式對結果進行優化，并考慮了有源與無源組件對損耗的影響。

（2）提出基于RC網絡模型的時變功率變化對各節點溫度的影響。

（3）低功率下損耗模型精度主要受無源組件的影響，但隨著功率的上升，有源組件的影響成為主要因素。

主要研究內容

基于器件參數表及雙脈沖測試平臺得到的基礎損耗模型如圖1所示，在此基礎上提出迭代模型如圖2所示，對器件的殼溫值進行優化，在3次迭代內器件的殼溫均趨于穩定。

隨后討論各有源無源因素對損耗分布的影響，結果如圖3所示，低功率下無源組件對損耗影響較大，但隨著損耗的上升，有源因素逐漸成為影響損耗的主要因素。

(a) ig=20 mA時，不同漏極電流和連接溫度下GIT的導通電阻

(b) 在反向導通過程中，Vds和id之間的關系

(c) 不同溫度和漏源電壓下開關損耗的曲線擬合

圖1 基礎損耗模型

圖2 迭代模型

圖3 各有源無源因素對損耗分布的影響

結論

本文系統地研究了逆變器損耗計算中的幾個因素和考慮因素。這些因素包括寄生電容的影響、由時變功率損失引起的結溫度的動力學、殼溫度的估計，以及對濾波器損失的詳細考慮。在低負荷和高負荷條件下，每個因素的影響都被量化了。

結果表明，在低負荷條件下，電感損耗是造成損耗差異的主要因素，而器件損耗和熱模型隨著負荷的增加而變得更加重要。

此外，還詳細介紹了每個因素的實現，包括方程和仿真設置。提出并實現了一種計算時變功耗和結溫度的方法。與基本損失模型相比，高負荷下測量和計算的損失差異從28%降低到了3%以下，低負荷下的損失差異從28%降低到了16%。

此外，氮化鎵器件在測量和估計中的情況溫度在6°C以內。該方法和結果使基于GaN的轉換器的設計更加準確。

閱讀心得

本文主要對基礎損耗模型進行了一系列的優化，詳細考慮了各主要影響因素在不同功率下對損耗的影響能力，且通過使用MATLAB及COMSOL進行迭代，給出了一種數據分析及仿真軟件相結合的處理問題的思路，這對我們接下來工作的研究方法的選用具有一定的指導意義，且詳細介紹了各類損耗的權重，在器件的損耗計算方面幫助我們開拓了新思路。