近年来，无论在航空航天、电动汽车车载充电器还是通信电源等领域，均对开关电源提出了更高要求，即提高效率和功率密度。提高变换器的效率可以从两点出发：一是对电路拓扑结构的改进；二是选择损耗更低的开关器件和磁性元件。同理，提高变换器的功率密度一方面可以选择具有更小体积的功率器件；另一方面可减小磁性元件的体积。

传统的DC-DC变换器分非隔离型和隔离型，非隔离型主要包括Buck、Boost及Buck-Boost等经典拓扑结构，而隔离型主要包括正反激、推挽、半桥及全桥结构，其中全桥、正激变换器通常在大功率场合使用，而中小功率场合一般采用反激或半桥结构。

以上变换器均属于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）变换器，通过改变功率管的占空比来实现变换器直流增益的改变，通常为硬开关变换器，在功率管附近增加辅助电路的情况下也能够实现软开关，但较为复杂。

不同于PWM硬开关变换器，谐振变换器因能够实现软开关而成为当前的研究热点，其工作原理是通过改变变换器的开关频率来调节直流增益。LLC谐振式DC-DC变换器的谐振元件主要为谐振电感和谐振电容，具有十分突出的优点。

与PWM型直流变换器相比，LLC谐振变换器能够实现零电压软开关（Zero Voltage Switch, ZVS）和零电流软开关（Zero Current Switch, ZCS），在一定程度上减小了由开关管在开关状态切换过程中产生的开关损耗以及二极管的反向恢复损耗。此外，可将谐振电感集成于变压器中（用漏感取代），能够有效减小变换器磁性元件的体积。

近年来，随着半导体材料及技术的快速发展，制约开关变换器性能提高的瓶颈逐渐被打破。目前，开关变换器较常用的都是Si基晶体管，然而，采用Si基材料的功率开关管经历了七十多年的发展，其理论较为成熟，性能逐渐逼近其极限，在未来其材料性能很难有较大的提升。

表1给出了Si、SiC及GaN材料性能比较，通过相关数据可以看出，GaN器件的高带隙能量、电子迁移率、临界击穿电场和热导率相对于其他两种来说较高，这说明GaN器件导电性能好，具有极小的通态电阻、极高的开关速度等特点，因此基于GaN材料制造的半导体功率器件在开关频率、温升以及损耗等方面的性能都超过Si器件，存在较大的发展潜力。

表1 Si、SiC和GaN材料性能比较

自第三代宽禁带半导体器件GaN问世以来，国内众多高校纷纷投入研究，越来越多地将GaN器件应用在直流变换器。西安交通大学学者建立了增强型GaN器件的损耗模型，详细分析了基于GaN器件的Buck变换器损耗；对基于GaN器件的LLC谐振变换器的开关过程及磁性元件展开研究，并对平面变压器的绕组分布方式进行了优化设计，之后不少学者又将其应用于LLC谐振变换器中。南京航空航天大学的学者提出了改善基于GaN器件的LLC变换器的可靠性和效率的方法。

西安科技大学电气与控制工程学院的研究人员在众多学者的研究基础上，结合GaN器件以及平面变压器的优秀性能，进一步对LLC谐振变换器展开研究。为了提高效率和功率密度，将GaN器件和平面变压器以及同步整流技术应用于LLC谐振变换器。

图1 电路设计实物

他们分析了基于GaN器件的LLC谐振变换器工作原理，得到变换器的数学模型，分析了变换器增益曲线；建立了高频工作条件下的寄生电感模型，对功率回路进行了优化处理；在Ansys Maxwell电磁仿真软件中建立平面变压器的仿真模型，模拟了变压器绕组工作过程中的电流密度，并采用Ansys Q3D对寄生电感等参数进行了提取；另外还对平面变压器的交流阻抗和漏感等参数进行了提取。

研究人员最后加工了一台采用GaN器件的变换器样机，通过实验测试验证了GaN器件可以大幅度地提高变频器的效率和功率密度。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“基于GaN器件的高频高效LLC谐振变换器”，作者为童军、吴伟东 等。