中国电源学会第二十三届学术年会
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专题讲座安排
 

 
讲座主题:
高效率高功率密度开关电源设计的挑战分析:新型氮化镓器件以及高频磁元件的特性和应用

讲座人:欧阳紫威 副教授,丹麦科技大学电气工程学院

              王文博 研究员,荷兰代尔夫特理工大学中国研究院

讲座摘要:

先进的电力电子技术具有提高能效,工业生产率和产品质量以及建立可持续未来的巨大潜力。高效率和高功率密度能量功率变换器是提高经济增长率和实现节能减排的愿景的关键挑战之一。下一代电力电子设备的改进将来自于小型化和高效化电力电子模块,这使得电力电子系统及其应用中的集成和标准化得以实现,特别是对于空间受到严格限制的应用,如便携式设备,数据中心,电动汽车和航空航天等。

 

开关电源转换电路的最新进展已经将其开关频率推至兆赫范围(MHz),这是得益于氮化镓(GaN)的宽带隙半导体的出现。比起大多数传统硅基半导体器件,其具有大大改进的品质因数。但同时高频开关电源的发展也伴随着挑战,比如高频下的开关器件的损耗,磁性元件(电感器和变压器)绕组以及磁芯损耗。该讲座主要探讨高效率和高功率密度开关电源设计的最新进展,主要分成三部分,第一部分是介绍新型宽禁带氮化镓功率器件的特性和应用;第二部分是介绍兆赫兹频率下磁元件的优化设计方法以及高频软磁材料发展方向;第三部分介绍高效率和高功率密度开关电源设计案例包括手机充电器,数据中心电源模块,以及航空类应用电源模块。

第一部分: (~1小时)

宽禁带氮化镓功率器件与传统硅器件相比具有更优的性能,如更快的开关速度,更高的耐压及更高的耐温,是世界各国重点攻关的关键技术。因此,新型氮化镓器件能够显著提升电力电子系统的性能并有可能带来传统硅技术下无法实现的新的应用。但同时,也对电力电子系统带来很多挑战。新型器件在实际应用中的性能是否与理论相符,传统的电路设计方法是否还适用于新型器件,如何充分收割新技术带来的好处等一系列问题亟待解决。讲座通过介绍新型器件的理论性能和实测结果入手,挖掘最有效使用新型氮化镓器件的条件,分析这些条件的边界,以PFC 电路为例实验验证氮化镓器件对电力电子系统性能的提升,展示新型半导体技术的潜力,分享对于在电力电子系统中采用新技术的经验。

第二部分: (~1小时)

高频开关电源中的磁性元件与其它电子元器件相比体积还是很大的。从原理上来说增加开关频率是可以减少磁性元件体积的。然而,由于磁性元件中使用的常规铁氧体软磁材料的性能差,因此在MHz频率范围通常伴随着大的磁芯损耗,同时也伴有由于趋肤和临近效应带来的较大的绕组损耗。优化设计高频磁元件是实现高效小型化开关电源的主要挑战之一。讲座主要介绍高频电感变压器主要寄生参数的建模,包括绕组损耗,漏感以及寄生电容的模型。同时还介绍高频变压器的优化设计方法以及提供一些磁集成设计经验。

第三部分: (~1小时)

最后一部分介绍高效率和高功率密度开关电源设计案例包括手机充电器,数据中心电源模块,以及航空类应用电源模块。这部分讲座内容包括电路拓扑的选择,宽禁带氮化镓功率器件的选型,新型磁材料的选择以及磁的设计和集成方案,以及实验结果等等。

 

讲座人介绍:

欧阳紫威,2011年毕业于丹麦科技大学(DTU)获工学博士学位,2011年到2013年丹麦科技大学博士后研究员,2013年到2016年丹麦科技大学助理教授,2016年至今丹麦科技大学副教授。博士生导师,美国电气电子工程协会IEEE 高级会员,IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 的副编辑。在电力电子领域顶级期刊杂志和国际电力电子会议上发表论文70多篇,以及合著书一部,论文被引用次数大于900。拥有国际发明PCT专利8项。主持参与多项丹麦国家科学创新基金项目和欧盟地平线H2020项目,以及大型企业合作课题,共11项。2014年荣获PCIM 青年学者奖,2012 年荣获丹麦科技大学最佳博士论文奖(唯一,≈ 1/300), 2010 年获中国国家海外留学优秀博士研究生奖。曾多次荣获IEEE 国际电力电子会议最佳论文奖。曾多次受邀在大学,企业以及国际电力电子学会上做主题演讲。研究课题方向包括高效率高功率密度开关电源,先进的高频磁设计和集成技术,微电感芯片集成电源,太阳能电池储能发电系统,以及无线充电系统的研究。

 

王文博, 荷兰代尔夫特理工大学博士、研究员。IEEE国际宽禁带半导体技术路线图委员会(ITRW)委员,第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)青年委员会委员。长期主要从事新型半导体技术及其应用研究。相关研究成果曾获2016国际第三代半导体创新创业大赛三等奖,第39届国际工业电子协会年会(IECON)直流电源领域最佳论文奖。出版新型半导体应用专著一部,在行业内顶尖期刊和最高水平学术会议发表论文10余篇。现任职荷兰代尔夫特理工大学中国研究院项目主管,主持新型半导体关键技术及应用研究项目, 负责项目的技术路线、成果实现及转化。