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「專利解密」無錫派微新型氮化鎵(GaN)材料賦能汽車無線充電系統

圖2 工作波形示意圖圖2為該變換器的工作示意波形圖, PFC變換器為兩個相同Boost PFC變換器並聯而成,單個開關管的驅動信號PWH和PWL相位相差180°,電感L1與電感L2支路的電流波形相同,相位相差180°,因此兩支路的電流交錯並聯後將會消除掉一部分電流紋波,從而總電流

2020-01-17 04:16 / 0人閱讀過此篇文章  

【嘉德點評】無錫派微科技有限公司讓我們看到了新型GaN材料新器件的優良特性,在新能源汽車、電力電子與無線充電領域具有非常廣闊的應用前景。

集微網消息,由於第三代半導體功率器件氮化鎵(GaN)承受高壓、高頻率、高溫的能力更強,因此與傳統矽器件相比,具有更加優越的通態特性和更好的開關特性,吸引了工業界與學術界的廣泛關注。尤其是在汽車電動化和可攜式電子產品領域,其快速而高效的充電需求驅動著GaN功率器件走向大眾市場,逐漸替代傳統的矽功率器件。

當前新能源汽車充電機系統的設計中需要更高的充電效率和更大的充電功率,特別是近年來出現的新型無線充電機系統,對充電模塊的開關頻率和效率提出了及極其嚴格的要求。而隨著MOSFET和IGBT的出現和應用普及,傳統矽器件在功率密度上逐漸接近物理極限,而新出現的GaN器件由於其更好的材料特性可以大幅度提高開關頻率,進而促進功率電源功率密度的提高與小型化,因此採用GaN器件開發新型PFC電源模塊是一種很好的技術途徑。然而利用這種方法提高功率密度的同時,由於開關頻率提高,會造成電源系統產生過高的尖峰電壓與寄生電感,同時對系統的散熱也提出了更高的要求。在GaN器件帶來的機遇與挑戰中,無錫派微科技有限公司率先展開研究,並針對這些問題提出了電源系統的解決方案。

早在2019年8月12日,無錫派微科技有限公司便提出了一項名為「用於無線充電系統的GaN交錯並聯PFC電源模塊」的發明專利(專利號:201910739448.8),申請人為無錫派微科技有限公司。

此專利針對採用GaN功率器件進行功率集成時面臨的應用挑戰,在電源系統中的柵驅動電路、器件布局和散熱等方面進行了優化設計,提出了一種採用GaN功率器件應用於新能源汽車無線充電系統的高功率密度交錯並聯PFC電源模塊。

圖1 此專利提出的PFC電源電路結構圖

此專利提出的用於無線充電系統的PFC電源模塊如圖1所示,包括EML濾波電路U3、全橋整流電路U2、電感L1、L2,PFC控制器U1、第一柵驅動電路H、第二柵驅動電路L、GaN功率開關MH、GaN功率開關ML、限流電阻RH、限流電阻RL、輸出二極體D1、輸出二極體D2、輸出電容C1、檢測電路U4和反饋電路U5。PFC控制器輸出的兩級脈寬控制信號分別通過驅動電路與限流電阻連接到兩級GaN功率開關,開關的漏極連接到輸出的高壓與低壓母線上。檢測電路輸出的電壓檢測信號f1、電流檢測信號f2和溫度檢測信號f3分別連接到反饋電路U5的三個輸入端;反饋電路將反饋輸出給到PFC控制器,進而通過驅動電路控制GaN功率開關的通斷,形成反饋閉環,從而使得電源正常工作。

同時由於現有的GaN器件的輸出電流不夠,為實現大電流輸出,GaN功率開關需採用多個小開關管並聯的方式,在保證最佳開關頻率的前提下保證最大輸出電流。其次,並聯繫統中還考慮了均流問題,若並聯繫統兩支路電流不均衡,那麼某一支路開關管所承受的電流應力勢必加大,會增大開關管損壞機率。本發明針對平均電流控制交錯並聯CCM Boost PFC變換器中存在的兩支路不均流造成開關管電流應力加大的問題,採用了高可靠雙面布局方式,並採用占空比補償電流控制

策略。

圖2 工作波形示意圖

圖2為該變換器的工作示意波形圖, PFC變換器為兩個相同Boost PFC變換器並聯而成,單個開關管的驅動信號PWH和PWL相位相差180°,電感L1與電感L2支路的電流波形相同,相位相差180°,因此兩支路的電流交錯並聯後將會消除掉一部分電流紋波,從而總電流的紋波得到減小,頻率變為之前的2倍。

圖3 雙面布局示意圖

如圖3所示,本發明的雙面布局結構包括:輸入高壓區1、輸入高壓直流母線DC區2、輸出電壓區3和低壓供電區4。所述輸入高壓區1、輸入高壓直流母線DC區2、輸出電壓區3分布在電源模塊的正面,所述低壓供電區4分布在電源模塊的反面,正面和反面之間的第二脈寬信號PWL、第一脈寬信號PWH、電壓反饋信號f1、電流反饋信號f2和溫度反饋信號f3通過通孔連接信號。這種布局結構的設計,可以對柵極驅動、多管並聯GaN器件和電壓母線進行布局優化,從而實現高密度功率集成和高效率。

新型材料的出現有利的帶動了工業界的創新與發展,在該專利中,無錫派微科技有限公司讓我們看到了新型GaN材料新器件的優良特性,在新能源汽車、電力電子與無線充電領域具有非常廣闊的應用前景。(校對/holly)





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