【摘要】：重復脈沖強磁場作為一種特殊的強磁場在經(jīng)顱磁刺激、核磁共振、太赫茲輻射等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在重復脈沖強磁場裝置中,重復脈沖放電的頻率往往會被充電電源的功率等級所限制。重復脈沖強磁場電源裝置通常由前級PFC整流器和后級DC-DC變換器的兩級拓撲組成,本文介紹了Boost型PFC整流器的發(fā)展歷程及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并針對不同功率等級的重復脈沖強磁場電源裝置,分別設計了基于GaN器件的5kW交錯并聯(lián)圖騰柱整流器和基于SiC MOSFET的20kW維也納整流器。圖騰柱整流器是重復脈沖強磁場電源裝置的理想前級PFC整流器拓撲,將GaN器件應用其中可將其功率等級提升至幾千瓦。對5kW交錯并聯(lián)圖騰柱整流器進行了元件選型和系統(tǒng)損耗分析,提出一種分布式的散熱設計提升系統(tǒng)散熱能力;對GaN器件獨特的物理構(gòu)造及開關(guān)特性進行分析,設計了一種在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程具有不同驅(qū)動阻抗的低損耗高速驅(qū)動電路,并通過雙脈沖測試對GaN器件及驅(qū)動電路的動態(tài)特性進行測試,證實其在400V/12A工作條件下可實現(xiàn)10ns內(nèi)開關(guān)。維也納整流器是一種三相三電平Boost型PFC整流器,其功率等級可達幾十千瓦。本文對20kW維也納整流器的散熱系統(tǒng)進行整體優(yōu)化設計,將開關(guān)頻率提升至140kHz,大幅減小磁性元件的體積;將T-Type電路的調(diào)制方法應用其中,實現(xiàn)對背靠背SiC MOSFET器件的獨立控制,消除了過零點區(qū)域的電壓尖峰問題;完善兩級EMI濾波器設計,降低系統(tǒng)高頻共模噪聲,并通過加入阻尼電阻的方式增加相位裕度,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;提出功率器件雙列排布的方式,將功率回路中的寄生電感減少25%。搭建5kW交錯并聯(lián)圖騰柱整流器和20kW維也納整流器樣機。經(jīng)測試,圖騰柱整流器在5.4kW交錯并聯(lián)DC-DC實驗中,滿載效率高達99.1%,GaN器件外表溫度不超過50.6~oC;維也納整流器在21kW實驗中,滿載效率可達98.5%,SiC MOSFET器件外表溫度不超過68.7 ~oC。上述實驗結(jié)果驗證了本文設計的可靠性與有效性。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM461
【圖文】：

= × (2 = × (2布式熱設計的分析中可以得到 GaN 器件產(chǎn)生的總損耗高達 31.7W，占系統(tǒng)總系統(tǒng)中最主要的損耗來源。同時，GaN 器件的工作結(jié)溫可以達到 105oC設計中重點優(yōu)化對 GaN 器件的散熱設計。了充分利用散熱器性能，引入分布式散熱的理念，將熱源分布在散熱 GaN 器件的散熱效果。如圖 2-9，兩個 GaN 半橋被設計成分立式子熱器兩側(cè)，既能夠增強散熱效果，又能直接對 GaN 半橋進行雙脈沖測實際工況的器件性能測試結(jié)果。本文中的四個MOSFET為底端散熱的居 PCB 板兩側(cè)，通過在 PCB 板的大面積覆銅和導熱孔將 MOSFET 器。

況的器件性能測試結(jié)果。本文中的四個MOSFET為底端B 板兩側(cè)，通過在 PCB 板的大面積覆銅和導熱孔將 M圖 2-9 分布式散熱設計器硬件電路中，GaN 半橋子卡及散熱器位于 PCB 板中中可產(chǎn)生近 13W 的損耗，占總損耗的 19%，因此需要將以增強散熱效果。同時，風道末端的 EMI 濾波器也能得

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 = ; = × (2.24) = ; = ( ) × (2.25) = (2.26)在驅(qū)動電壓由 VP到 0 時，會產(chǎn)生一個大小如式 2.27 的反向電壓。 (0 ) = × (2.27)由于本文中驅(qū)動電路會繼續(xù)提供一個大小為 VN的反向電壓，且通常 VN>VF，因此（0-）時 VG恒等于 VN，在本設計中 VN= -6V。如圖 2-16 所示為帶有高速驅(qū)動電路的 GaN 半橋電路三維模型。

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