单级GaN cyclo转换器设计解析

在光伏微型逆变器与便携式储能系统中，传统两级拓扑（DC/DC + DC/AC）虽技术成熟，但存在效率瓶颈（通常≤96%）、元件数量多、体积大等问题。德州仪器推出的TIDA-010954参考设计采用基于GaN的单级cyclo转换器架构，实现了更高效率、更高功率密度与更低系统成本。

传统两级架构的局限

典型的两级微型逆变器先通过反激或推挽式DC/DC升压至400VDC中间总线，再经全桥逆变输出交流电。该结构需使用10–12个高压开关器件，且整流级常采用二极管，导致导通损耗高。此外，低频（<100kHz）工作限制了磁性元件的小型化。

Cyclo转换器工作原理

cyclo转换器直接将直流输入合成为交流输出，无需中间直流链路。TIDA-010954采用“直流侧全桥 + 交流侧半桥”结构（如图3所示），通过变压器实现电气隔离。其本质是一个相移控制的双有源电桥（DAB），但次级侧电压随电网正弦波动态变化。

正半周：S1B、S2B常通，S1A/S2A互补PWM，初级电压VP超前次级VS实现能量传输；

负半周：S1A、S2A常通，S1B/S2B调制，VP滞后VS完成反向功率传输。

GaN器件的优势应用

设计选用TI的GaN FET以支持高频软开关运行：

初级侧：LMG2100R026（100V, 2.6mΩ）半桥，低RDS(on)减少导通损耗；

次级侧：LMG3650R035（650V, 35mΩ）集成驱动器，降低布局复杂度。

GaN的低COSS和关断损耗扩展了零电压开关（ZVS）范围，使转换器可在300–600kHz高频下运行，显著减小变压器和滤波电感体积。

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扩展相移控制策略

为应对交流侧电压周期性变化带来的软开关挑战，设计采用两种模式：

模式II（大功率，靠近交流峰值）：固定相移，确保ZVS；

模式III（轻载/过零点）：脉冲内嵌控制，降低变压器RMS电流与传导损耗。

控制算法在TMS320F28P550（150MHz）上运行，20kHz中断服务例程MCU占用率<40%，得益于其可配置逻辑块（CLB）硬件加速PWM同步更新。

性能实测与成本优势

实测显示：

峰值效率达97%，ηCEC ≈ 96.4%，ηEuro ≈ 95.4%；

600W满载THD仅2.6%，优于并网标准；

功率密度约600W/L，为传统两级方案的两倍。

成本方面，尽管GaN器件单价较高，但磁性元件体积大幅缩减（高频运行）、EMI滤波器简化、开关总数减少，整体BOM成本降低约12%（以推挽式为基准）。