Wielopoziomowe przekształtniki DC-DC z tranzystorami z azotku galu GaN

Abstract

Niniejsza rozprawa dotyczy rezonansowych przekształtników DC-DC o przełączanych kondensatorach, które wyróżniają się wysoką sprawnością, kompaktowymi wymiarami i możliwością pracy w szerokim zakresie temperatur. W pracy przedstawiono, obecny stan wiedzy w dziedzinie układów rezonansowych o przełączanych kondensatorach, a także zaproponowano innowacyjną topologię przekształtnika HVGDCC (ang. High Voltage Gain Direct Current Converter) o sześciokrotnym wzmocnieniu napięciowym, siedmiostopniowej regulacji napięcia wyjściowego oraz niskim napięciu blokowania na łącznikach oraz relatywnie niewielkiej liczbie tranzystorów i diod. Układ umożliwia pracę w trybie ZVS, minimalizując straty przełączania. Przeprowadzono symulacje (MATLAB/Simulink) dwóch wersji przekształtnika - z tranzystorami CoolMOS i CoolGaN analizując sprawność oraz straty energetyczne. Badania laboratoryjne potwierdziły poprawność działania zaproponowanej topologii i wykazały, iż poziom oscylacji obserwowanych w przebiegach prądu układu z tranzystorami CoolGaN, z uwagi na mniejsze wartości ich pojemności wyjściowych Coss, jest wyraźnie niższy niż w układzie z tranzystorami CoolMOS. Ponadto wyniki przeprowadzonych eksperymentów dowodzą, że opracowany układ osiąga wysoką sprawność w porównaniu do innych przekształtników charakteryzujących się tak dużym współczynnikiem wzmocnienia napięciowego. This dissertation concerns resonant DC-DC converters with switched capacitors, which are characterized by high efficiency, compact dimensions, and the ability to operate across a wide temperature range. The work presents the current state of the art in the field of resonant switched-capacitor converters and proposes an innovative topology of the HVGDCC (High Voltage Gain Direct Current Converter), offering a sixfold voltage gain, seven-level output voltage regulation, low voltage stress on the switches, and a relatively small number of transistors and diodes. The converter enables Zero Voltage Switching (ZVS) operation, minimizing switching losses. Simulations were carried out in MATLAB/Simulink for two versions of the proposed converter-one using CoolMOS transistors and the other CoolGaN devices-focusing on efficiency and energy losses. Laboratory tests confirmed the correct operation of the proposed topology and revealed that the current waveforms in the CoolGaN-based converter exhibited significantly fewer oscillations, attributable to the lower output capacitance Coss of the GaN devices, compared to the CoolMOS-based version. Furthermore, experimental results demonstrate that the developed converter achieves high efficiency in comparison to other converters featuring a similar voltage gain factor.