[发明专利]新能源发电系统用高压宽输入范围GaN电源模块

说明书

本发明涉及一种新能源发电系统用高压宽输入范围GaN电源模块，包括依次连接的输入滤波模块、GaN功率因数校正模块和GaN半桥LLC变换器模块；输入高压母线Vin+和输入高压地线Vin‑连接输入滤波模块，经过输入滤波模块得到输入高压母线DC，GaN功率因数校正模块将输入滤波模块得到的输入高压母线DC的输入进行功率因数校正，得到PFC高压母线Vbus和PFC低压母线Vgnd输出；GaN半桥LLC变换器模块对GaN功率因数校正模块的输出进行DC/DC变换，得到输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout‑。本发明通过保证GaN器件工作在安全区域状态，从而实现功率模块的高频化和小型化，保证高密度功率集成和高效率，可以广泛应用于新能源发电系统中。

技术领域

本发明涉及一种用于新一代新能源发电系统的高压宽输入范围GaN电源模块，属于功率电子领域。

背景技术

进入21世纪，在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求电路应用在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡，比如服务器电源管理、电池充电器和太阳能电场的微逆变器。上述应用要求电力电子系统在设计效率95％的同时，还具有高的功率密度(500W/in³，即30.5W/cm³)、高比功率(10kW/磅,22kW/kg)和高总负载点(1000W)。随着超结MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现和应用普及，器件性能逐渐接近硅材料的极限，每四年功率密度提升1倍的规律趋于饱和(功率电子领域的摩尔定律)，功率密度仅为个位数的硅基功率半导体器件的开发由于上述原因而困难重重。

近年来以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体功率器件，因禁带宽、击穿电场强度高、高电子饱和速度快，在大功率、高温、高频、抗辐射的微电子领域，以及短波长光电子领域，有明显优于Si、Ge、GaAs等第一代和第二代半导体材料的性能。GaN功率器件与Si器件相比具有优越的通态特性和非常好的开关特性，因此在较短的时间内就吸引了工业界的关注，从事应用研究的学者们也开展了大量的研究工作，将其应用到POL、DC/DC等低压、小功率的电源装置中。研究表明，用GaN器件替换Si器件可以大幅度提高开关频率，同时保持了良好的效率指标。毫无疑问，在低压、小功率应用中，GaN器件将会获得越来越普遍的应用，并极大的促进这些领域电源装置在功率密度、效率等方面的性能的提高。

太阳能新能源发电系统中，光伏阵列需要一个辅助电源提供电压24V的分布式供电，通常采用光伏电池组直接转换获得。辅助电源的输入由电力电子变换器母线电压提供，为了保证电力电子变换器的稳定运行，不论母线电压如何变化，辅助电源均要稳定工作，即辅助电源应能在高电压和宽输入范围内输出稳定的电压，保证电力电子变换器的正常工作。但是，太阳能面板上光伏电池串接输出电压波动范围极大，直流输出电压通常为300V～1500V，因此需要超大输入范围的高压DC-DC转换器。随着光伏系统对电源模块小型化和功率密度要求日益严格，如何在空间不变的情况下，提供越来越高的输出功率，并具有超高速瞬态响应和最佳的性价比，是辅助电源设计的一个综合瓶颈问题。而实现其小型化和功率密度提升的主要途径就是提高电源系统的开关工作频率。GaN器件的特性，使得GaN器件的栅极驱动电荷(Qg)很小，结电容也非常小，开关速度比Si器件快得多。而开关频率提高带来的好处是提高功率密度，因此采用GaN器件开发高功率密度辅助电源模块是一种很好的技术途径。

然而采用提高开关频率的方式来提高功率密度，需要面临两方面的瓶颈问题：一是GaN器件开关过程中开关支路的电流变化非常迅速、di/dt很高，由于功率回路中不可避免的存在寄生电感，当电流迅速变化时，在开关器件两端会产生很高的尖峰过电压。轻则造成电路误动作、EMI超标，重则导致器件击穿损坏。GaN器件很高的开关速度导致其开关过程中的寄生振荡和过电压现象远比Si器件明显。GaN器件由于开关速度更快，因此对电路中的寄生电感更为敏感。如果布线不够优化，寄生电感较大，则会直接影响电路的正常工作。二是随着GaN功率模块的功率密度提高，功率器件的散热要求更为严格。原因在于模块体积减小，散热器结构的选择和位置的摆放对功率模块的性能影响较传统功率模块更敏感。