2019年, 第17卷, 第3期　刊出日期：2019-05-30

  

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SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
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  GaN基功率电子器件及其应用专辑特邀主编述评

  刘扬,杨旭

  电源学报. 2019, 17(3): 1-3. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.1

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  GaN基功率电子器件因其具有开关速度快、开关频率高、工作结温高、通态电阻小、开关损耗低等优势，适合应用于新型高效、大功率等的电力电子系统。国内关于GaN基功率电子器件的研究已经取得了较为明显的进展，但与发达国家相比仍有一定的差距。为此，《电源学报》特别推出了"GaN基功率电子器件及其应用"专辑，基本涵盖GaN功率电子器件及其应用研究的热点问题，展示了不同研究机构和企业在该领域的研发现状，具有良好的学术研究和应用参考价值。
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  GaN基电力电子器件关键技术的进展

  彭韬玮,王霄,敖金平

  电源学报. 2019, 17(3): 4-15. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.4

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  氮化镓GaN（gallium nitride）材料非常适合应用于高频、高功率、高压的电子电力器件当中。目前，GaN功率电子器件技术方案主要分为Si衬底上横向结构器件和GaN自支撑衬底上垂直结构器件2种。其中，横向结构器件由于制造成本低且有良好的互补金属-氧化物-半导体CMOS（complementary metal-oxide-semiconductor）工艺兼容性已逐步实现产业化，但是存在材料缺陷多、常关型难实现、高耐压困难以及电流崩塌效应等问题；垂直结构器件能够在不增大芯片尺寸的条件下实现高击穿电压，具有非常广阔的市场前景，也面临着材料生长、器件结构设计和可靠性等方面的挑战。基于此，主要针对这两种器件综述介绍并进行了展望。
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  垂直结构氮化镓功率晶体管的材料与工艺问题

  肖明,胡杰,张宇昊

  电源学报. 2019, 17(3): 16-25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.16

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  硅功率器件已接近其理论物理性能的极限。基于宽禁带半导体材料的电力电子系统能够实现更高的功率密度和电能转换效率，而具有高临界电场和载流子迁移率的氮化镓被认为是未来高功率、高频和高温应用的最有希望的候选者之一，而由品质因子给出的氮化镓基功率器件的综合性能具有大于1 000倍于硅器件的理论极限。目前已产业化的氮化镓功率晶体管主要基于水平结构，但垂直结构更有利于实现更高电压和更大电流。随着氮化镓衬底材料的逐渐成熟，近期垂直结构氮化镓功率器件成为了学术界和产业界的研究热点，并被认为是下一代650~3 300 V电力电子应用的候选器件。基于此，回顾了垂直结构氮化镓晶体管的最新进展，特别是与器件相关的材料和工艺问题，并总结了开发高性能垂直结构氮化镓功率晶体管的主要挑战。
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  六英寸Si基GaN功率电子材料及器件的制备与研究

  何亮,张晓荣,倪毅强,罗睿宏,李柳暗,陈建国,张佰君,刘扬

  电源学报. 2019, 17(3): 26-37. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.26

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  氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的代表，具有优异的材料物理特性，更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程，以及考虑到大尺寸、低成本等优势，在Si衬底上进行GaN材料的异质外延及器件制备已经成为业界主要技术路线。详细介绍了在6英寸Si衬底上外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构功率电子材料，以及基于6英寸CMOS产线制造Si基GaN功率MIS-HEMT和常关型Cascode GaN器件的相关成果。
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  级联结构氮化镓功率器件及其在无线电能传输系统中的应用

  钱洪途,朱永生,邓光敏,刘雯,陈敦军,裴轶

  电源学报. 2019, 17(3): 38-43. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.38

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  为了进一步提升电能转换效率，介绍了一款基于650 V氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT（galliumnitride high electron mobility transistor）的共栅共源级联（cascode）结构开关管及其在无线电能传输方面的应用。在GaN HEMT器件设计方面，通过仿真讨论了器件的场板设计对电容和电场的影响。所制造的cascode器件在650 V时漏电约为2 μA，在源漏电压400 V时输入电容C_iss、输出电容C^oss和反向传输电容C_rss分别为1 500 pF、32 pF和12 pF，动态导通电阻升高约16%。基于该款cascode器件设计并展示了一款240~320 kHz、满载功率1 kW的无线充电样机，在200~1 000 W负载范围内效率明显高于Si器件，最高效率超过95%。
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  AlGaN/GaN异质结肖特基二极管研究进展

  康玄武,郑英奎,王鑫华,黄森,魏珂,吴昊,孙跃,赵志波,刘新宇

  电源学报. 2019, 17(3): 44-52. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.44

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  氮化镓GaN（gallium nitride）作为第三代半导体材料的代表之一，具有临界击穿电场强、耐高温和饱和电子漂移速度高等优点，在电力电子领域有广泛的应用前景。GaN基器件具有击穿电压高、开关频率高、工作结温高、导通电阻低等优点，可以应用在新型高效、大功率的电力电子系统。总结了AlGaN/GaN异质结肖特基二极管SBD（Schottky barrier diode）目前面临的问题以及目前AlGaN/GaN异质结SBD结构、工作原理及结构优化的研究进展。重点从AlGaN/GaN异质结SBD的肖特基新结构和边缘终端结构等角度，介绍了各种优化SBD性能的方法。最后，对器件的未来发展进行了展望。
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  基于p-GaN结构的GaN HEMT功率电子器件和数字电路单片集成技术

  倪金玉,孔岑,周建军,孔月婵

  电源学报. 2019, 17(3): 53-56. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.53

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  基于含p-GaN帽层的Si基GaN材料，实现了增强型GaN功率电子器件与数字电路单片集成技术的开发。在同一片晶圆上实现了增强型高压GaN器件、DCFL结构反相器和17级环形振荡器。高压GaN功率电子器件阈值电压V_TH达到1.2 V，击穿电压V_BD达到700 V，输出电流I_D达到8 A，导通电阻R_ON为300 mΩ。基于E/D集成技术的DCFL结构反相器低噪声和高噪声容限分别为0.63 V和0.95 V；所研制17级环形振荡器在输入6 V条件下振荡频率345 MHz，级延时为85 ps。
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  600 V耗尽型GaN功率器件栅极驱动方案设计

  潘溯,胡黎,冯旭东,张春奇,明鑫,张波

  电源学报. 2019, 17(3): 57-63. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.57

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  介绍了一种适用于600 V耗尽型氮化镓GaN（gallium nitride）器件的栅极驱动策略以及对应的驱动电路，并分析了采用耗尽型GaN功率器件的原因。驱动电路在功率管开启过程的2个阶段采用2种驱动强度的电流，在减小功率管开启过程中dv/dt的同时，保证功率管的开启速度。基于0.35 μm BCD工艺对电路进行仿真验证，结果表明：在600 V输入电压的半桥驱动应用下，驱动电路在GaN功率器件阈值电压前提供700 mA驱动电流，达到阈值电压后提供190 mA稳定驱动电流，开关节点的dv/dt为150 V/ns，传输延迟加开启延迟为20 ns。
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  GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

  严鼎,孙伟锋,祝靖,李冬冬

  电源学报. 2019, 17(3): 64-71. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.64

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  氮化镓GaN（gallium nitride）功率器件因其出色的导通与开关特性，能够实现系统高频化与小型化，有效提升系统功率密度。但是，增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题，使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此，提出一种预驱动芯片，通过片内集成LDO与电平移位结构，实现兼容12~15 V输入，并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制，达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外，通过多芯片合封技术，将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成，降低了寄生电感，使其应用可靠性进一步提升。
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  基于GaN的并联反激均衡器的设计分析

  张卫平,段亚东,毛鹏

  电源学报. 2019, 17(3): 72-77. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.72

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  分析寄生电感与结温对GaN并联电路的性能影响。首先理论分析寄生电感与结温的影响情况，得出这些因素与电路损耗的关系式；并且结合仿真，测试出该变换器的电压电流图像。基于并联反激均衡器理论分析与仿真电路的结果进行研究分析，得出了电路PCB的布局方案和电路的控制策略，能够更好地解决电路的延迟、振荡和不均衡的现象。最后通过设计出来的样机，与Si的电路和不同负载情况，对比分析电路的稳定性能与均衡性能，验证所得到的布局方法与控制策略能够降低寄生电感与结温对于电路的影响情况。
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  基于GaN器件的PFC设计

  张卫平,焦探,刘元超

  电源学报. 2019, 17(3): 78-82. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.78

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  针对氮化镓GaN（gallium nitride）功率晶体管在AC-DC变换器当中的应用进行设计。首先，在了解GaN器件的基本特性后，通过LTspice仿真软件搭建了PFC电路，分析了GaN寄生参数对驱动电路的影响，得出的结果对PFC的PCB布局有明显的帮助，应尽量减小驱动器与GaN器件之间的距离，从而达到降低寄生电感的作用；然后，对高频Boost PFC电路进行了分析以及电感和电容的设计；最后，通过仿真验证了设计的正确性，并以UC3854为控制器搭建了1台2.5 kW 500 kHz的高功率密度PFC样机，测得的驱动波形稳定。
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  基于GaN HEMT的半桥LLC优化设计和损耗分析

  姚盛秾,韩金刚,李霞光,范辉,汤天浩

  电源学报. 2019, 17(3): 83-90. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.83

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  较之于传统硅器件，新出现的增强型氮化镓晶体管GaN HEMTs（gallium nitride high electron mobilitytransistors）具有很高的开关速度和高功率密度的特性，可以为直流变换器提供有效的改进。为了解决GaNHEMT在硬开关应用场合下的波形振荡并提高功率密度和效率，采用半桥LLC谐振变换器为本次应用的拓扑结构。以减小损耗为目的，优化了LLC的谐振参数和死区时间。在400 V输入电压、开关频率300 kHz和输出电压18 V电流12 A的测试条件下，效率达到95.59%。最后对变换器的损耗来源进行分析，损耗的理论计算值接近实际测量值，证明了方法具有一定的实用性。
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  基于氮化镓场效应晶体管的高性能48 V总线电源

  王健婧,Suvankar BISWAS,Mohamed H. AHMED,Michael DE ROOIJ

  电源学报. 2019, 17(3): 91-102. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.91

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  48 V电源架构在数据中心电源系统中的推广激发了人们对具有更高效率和功率密度的先进电源解决方案的极大兴趣。具有超低寄生电容和导通电阻的氮化镓场效应晶体管GaN FET（gallium nitride field effecttransistor）开辟了一种新方法，可实现前所未有的转换器性能和小型化。评估了采用与适当功率等级相对应的各种拓扑结构的48 V电源架构的DC-DC电源转换中的GaN FET。首先涵盖GaN FET的开关特性分析；然后将GaN FET用于开发各种48 V降压转换器，从同步降压、多电平和多相转换器到LLC谐振转换器；最后提供了选择合适GaN FET的指南。与传统基于MOSFET的转换器相比，这些基于GaN FET的转换器在不增加成本的情况下功率效率和功率密度显著提高。
系统仿真、建模与控制
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  附加电感电流线性反馈控制的级联DC-DC变换器稳定性提升方法

  李虹,郭钟雅,刘晨,赵洋洋,苏文哲,张波

  电源学报. 2019, 17(3): 103-110. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.103

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  源变换器和负载变换器的相互作用会导致级联DC-DC变换器的不稳定问题，因此，提升级联系统的稳定性很有必要。针对上述问题，将特征值灵敏度应用到级联DC-DC变换器的时域模型中，无需计算源变换器输出阻抗和负载变换器输入阻抗，从时域角度提出了附加电感电流线性反馈控制的级联DC-DC变换器稳定性提高控制方法。同时，基于时域模型直观分析了新引入的控制变量对系统稳定性的影响。最后，通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。
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  四开关Buck-Boost变换器的三模式控制方法研究

  李山,宋立风,章治国

  电源学报. 2019, 17(3): 111-119. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.111

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  针对四开关Buck-Boost变换器在两模式运行时，其输入输出电压接近时模式切换频繁以及开关管难以运行在极限占空比下的问题，提出了一种基于平均电流控制的Buck、Buck-Boost、Boost三模式切换策略。该策略在原有Buck、Boost两模式的基础上，通过检测输入电压单元来控制调制信号偏置电压，实现四开关Buck-Boost变换器在Buck、Buck-Boost、Boost三模式下平滑切换，使开关管在宽输入电压范围内工作在有效占空比区间。通过使用平均电流控制来限制电感电流变化，确保变换器的安全可靠运行。最后搭建saber仿真模型和硬件实验平台，验证了所提控制策略的可行性。
微型电网、智能电网中的电力电子技术
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  交错并联磁集成开关电感/开关电容Cuk变换器

  李洪珠,曹人众,康爱民

  电源学报. 2019, 17(3): 120-125. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.120

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  为了提高传统的Cuk变换器的电压增益、电压传输效率、输出电流纹波，同时减小电感支路的电流纹波和变换器的体积重量，将磁集成技术和交错并联技术应用到传统的Cuk变换中，提出了交错并联磁集成开关电感/开关电容Cuk变换器的拓扑。通过采用开关电感/开关电容结构替换传统变换器中的电感与电容的方式，采用磁集成技术并合理设计耦合电感间的耦合系数，能够减小该变换器电感支路的电流纹波、提高系统暂态响应速度、减小变换器的体积重量，进而提高变换器的电气性能。最后通过实验样机的结果验证了理论分析的正确性。
SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
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  7.5 kW电动汽车碳化硅逆变器设计

  苏杭,姜燕,刘平,赵阳,罗德荣,朱伟进

  电源学报. 2019, 17(3): 126-132. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.126

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  第三代功率半导体碳化硅SiC（silicon carbide）具有高耐压等级、开关速度快以及耐高温的特点，能显著提高电动汽车驱动系统的效率、功率密度和可靠性。首先，设计了两电平三相逆变器主电路和带有保护功能的隔离型驱动电路，使用LTSpice仿真分析了门极电阻对驱动性能的影响；其次，建立了逆变器的功率损耗与热阻模型，使用Icepak对散热器进行了散热分析；再次，讨论了PCB板寄生参数对主电路和驱动电路的影响，并提出了减少寄生参数的措施；最后，采用CREE公司的1 200 V/40 mΩ SiC MOSFET制作了1台7.5 kW的实验样机，并给出了测试结果。
逆变器与UPS
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  逆变器开关管变驱动电流技术研究

  袁义生,邱志卓,钟青峰,袁世英

  电源学报. 2019, 17(3): 133-139. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.133

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  传统的逆变器驱动电路中，驱动电流是按开关管最大关断电流下的最高电压尖峰来设计且是固定的，但在最大关断电流以下的工作状态，关断电压尖峰较小，IGBT有较大的安全电压裕量，牺牲了器件效率。为此提出一种逆变器变驱动电流技术及电路。该电路的驱动关断电流随开关管关断电流的下降而上升，提高了开关管在全负载范围下的关断速度，降低了IGBT的关断损耗。设计的原则是，关断电压尖峰不会超过最大允许值，且调节是实时进行的。讨论了关断电压尖峰与关断电流、驱动电流和漏感之间的关系。在一个230 V DC输入/80 V AC交流输出/500 W额定负载的单相半桥逆变器上进行测试，结果表明采用所提驱动电路，额定负载下效率较传统驱动提升近0.7%，实现了驱动电路的优化。
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  选择性谐波消除法在多电平逆变器故障调制中的应用

  汪玉凤,祝杰,康广有

  电源学报. 2019, 17(3): 140-146. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.140

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  随着多电平逆变器应用的增多，其开关故障运行控制问题也尤为突出。将选择性谐波消除法SHE（selective harmonic elimination）应用到多电平逆变器的容错控制中，提出一种提高系统可靠性的新型方法。利用SHE方法通过只屏蔽故障单元，不降低非故障相逆变器的容量进行容错。原来的SHE方法只能修正电压幅值，通过改进SHE来修正相移角的容错控制方法，可以使逆变器输出均衡的线电压和负载电压。提出的SHE方法容错控制适用于多电平逆变器的不同拓扑结构，对逆变器的低次谐波消除效果较好，补偿谐波具有灵活性和实用性。仿真和实验结果验证了提出方案的有效性。
电池及充电技术
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  柔性聚苯胺与碳质材料协同改性锂硫电池正极研究进展

  魏一奇,燕映霖,杨蓉,史忙忙,李巧乐,秦海超,陈利萍

  电源学报. 2019, 17(3): 147-155. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.147

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  锂硫电池具有高能量密度、低成本和环境友好等特点，被认为是最具潜力的下一代储能体系之一。介绍了柔性导电聚苯胺与碳质材料协同改性锂硫电池正极材料方面的研究进展，并与传统的聚苯胺或碳质材料单独改性硫基正极材料进行对比。围绕后者在单独改性中存在的电化学性能不佳的问题，对柔性导电聚苯胺与碳质材料二元复合改性硫基正极材料的结构设计和制备方法等进行综述，并对其未来发展方向和商业化应用进行展望。
储能控制及系统
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  PEM燃料电池迷宫流场双极板的电化学性能研究

  姚国军,沈翔

  电源学报. 2019, 17(3): 156-161. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.156

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  双极板流场结构对质子交换膜PEM（proton exchange membrane）燃料电池的电化学性能至关重要。基于双极板的工作原理和有限元分析FEA（finite element analysis）理论，设计了一种用于PEM燃料电池的新型迷宫流场结构双极板，通过建立包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、迷宫流场结构双极板和流道在内的完整PEM燃料电池的三维模型并进行数值分析，研究具有该迷宫流道结构双极板PEM燃料电池的电化学性能。此外，还制备了具有该迷宫结构的石墨双极板试样并进行电化学性能实验。研究结果表明，在保持PEM燃料电池其他参数一致时，具有迷宫流场双极板的PEM燃料电池有较大的功率密度，其最大值为520.283 mA/cm²，实验结果与模拟结果一致，验证了数值模拟的可靠性。
谐波、电磁兼容和电能质量控制
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  多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理

  涂春鸣,熊卓,郭祺,姜飞,杨洁

  电源学报. 2019, 17(3): 162-171. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.162

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  针对短路故障时冲击电流的柔性控制，提出了一种自适应虚拟阻抗柔性限流的多功能串联补偿器MFSC（multi-functional series compensator）拓扑结构及控制策略。分析其在正常运行和不同类型短路故障时的工作状况及模式切换过程，阐述三相四桥臂串联逆变器中引入虚拟阻抗的控制方法，建立短路故障数学模型，并给出虚拟阻抗和晶闸管支路限流阻抗参数设计方法。仿真及实验结果表明，MFSC能有效抑制不同类型短路故障电流，故障发生后，虚拟阻抗控制可实现电能质量补偿模式与限流模式间的平滑切换，实现故障电流与继电保护整定值相配和。
储能控制及系统
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  基于模糊逻辑混合储能管理策略在船舶中压直流电力系统中的应用研究

  郭燚,于士振,李晗,郭将驰

  电源学报. 2019, 17(3): 172-181. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.172

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  在船舶中压直流MVDC（medium-voltage direction current）电力系统中，混合储能系统HESS（hybrid en-ergy storage system）的能量管理策略，可以极大地影响系统的能量利用效率。模糊逻辑能量管理策略，既可以预测HESS的参考功率，以满足负载功率的需求，又可以实现锂电池组和超级电容器组之间的能量分配。用组合型多通道交错双向电流MMBDC（modular multilevel bidirectional current）连接HESS和母线，既可降低开关电流和电压应力，又可减小电感量。在Matlab/Simulink中，建立了MVDC电力系统、HESS、恒功率负载和脉冲负载模型，仿真结果表明：模糊逻辑控制器可以较为准确地预测负载功率的变化并较好地平衡锂电池组和超级电容器组之间的能量分配，为后续船舶中压直流电力系统的能量管理研究奠定了基础。
系统仿真、建模与控制
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  励磁调差单元对电力系统低频振荡的影响

  段俊东,张晓芳,张滨,邓亚鹏

  电源学报. 2019, 17(3): 182-190. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.3.182

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  自动励磁调节器对改善发电机的静调压特性起了积极作用，但对调差电流引入后的分析不足。为了研究调差单元引入对电力系统低频振荡的影响，采用戴维南等效电路分析了不同励磁控制方式下单机无穷大系统电路的运行特性，对比研究了调差引入前后励磁系统测量电压变化对系统阻尼特性的影响，并通过Matlab建模仿真分析了调差单元参数及发电机工况改变时低频振荡阻尼的变化特性。理论分析与仿真结果表明，调差单元引入后测量电压变化会对系统阻尼力矩产生一定的影响，且调差提供阻尼的大小，不仅与调差单元的接入方式的正、负有关，也与发电机所处工况、调差系数以及励磁参数有关。