Высокоплотный DC-DC-преобразователь на основе силовых GaN-микросборок для применения в автономных системах электропитания

DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-1-185-192

Скачать текст статьи в формате PDF

Скачать JATS xml

Аннотация: Актуальность. Автономные системы электропитания аппаратуры космических аппаратов и беспилотных летательных аппаратов нуждаются в импульсных вторичных источниках питания, характеризующихся повышенной плотностью мощности. Рост плотности мощности может быть достигнут путем повышения КПД и снижения габаритов электронных компонентов DC-DC-преобразователей. Применение силовых GaN-транзисторов и микросборок на их основе открывает новые перспективы к росту частоты преобразования, и как следствие снижению габаритов и росту плотности мощности DC-DC-преобразователей. Цель исследования. Создание и экспериментальное исследование высокоплотного прямоходового DC-DC-преобразователя с активным клампом и синхронным выпрямителем на основе силовых GaN-микросборок, который предназначен для применения в автономных системах электропитания. Методы. Проведено моделирование DC-DC-преобразователя в LTspice. С использованием современного измерительного оборудования верифицирован макет DC-DC-преобразователя. Научная новизна. Впервые представлено техническое решение прямоходового высокочастотного DC-DC-преобразователя с активным клампом на основе силовых GaN-микросборок, применение которых позволило повысить плотность мощности. Результаты. Выполнена настройка режима работы DC-DC-преобразователя с выходным напряжением 12 В, в результате которой достигнута его стабильная работа на частоте 800 кГц в диапазоне входного напряжения 18–36 В при мощности нагрузки до 72 Вт. Во всем диапазоне входного напряжения КПД превышал 90%. Созданный DC-DC-преобразователь имел плотность мощности 4,77 кВт/дм3. Выполнено сравнение достигнутых параметров DC-DC-преобразователя с серийно выпускаемыми аналогами на основе кремниевых силовых приборов и аналогами на основе силовых нитрид галлиевых приборов, представленными в научных публикациях. Практическая значимость. Применение созданного высокоплотного DC-DC преобразователя в автономных системах питания радиотехнической аппаратуры космических аппаратов и беспилотных летательных аппаратов позволит увеличить их плотность мощности.

Ключевые слова: GaN, прямоходовой преобразователь, высокоплотный DC-DC-преобразователь, высокочастотный DC-DC-преобразователь, силовые GaN-микросборки, плотность мощности, удельная мощность

Библиография статьи:
Полынцев Е. С. Высокоплотный DC-DC-преобразователь на основе силовых GaN-микросборок для применения в автономных системах электропитания / Е. С. Полынцев [и др.] // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2026. – Т. 29, № 1. – С. 185–192. DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-1-185-192

Авторы и правообладатели:

  • Полынцев Е. С. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)
  • Бартенев А. И. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)
  • Кодорова И. Ю. , АО «НПП «Радар ммс», Томский филиал (Томск, Россия)
  • Аксёнов А. А. , Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск, Россия)
  • Кагадей В. А. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)

  • 1. Projecting power converter specific power through 2050 for aerospace applications / C. Hall, C.L. Pastra, A. Burrell, J. Gladin, D.N. Mavris // 2022 IEEE Transportation Electrification Conference & Expo (ITEC). – Anaheim, California: IEEE, 2022. – P. 760–765.
  • 2. Development of a high power density drive system for unmanned aerial vehicles / M. Schiestl, F. Marcolini, M. Incurvati, F.G. Capponi, R. Stärz, F. Caricchi // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 36. – No. 3. – P. 3159–3171.
  • 3. Беспалов В. Нитрид галлия: новый подход для эффективного преобразования электроэнергии / В. Беспалов, В. Егоркин, М. Журавлев // Электроника: наука, технология, бизнес. – 2022. – Вып. 3. – С. 150–157.
  • 4. Review and outlook on GaN and SiC power devices: Industrial state-of-the-art, applications, and perspectives / M. Buffolo, D. Favero, A. Marcuzzi, C. De Santi, G. Meneghesso, E. Zanoni, M. Meneghini // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2024. – Vol. 71, No. 3. – P. 1344–1355.
  • 5. Исследование ионной имплантации азота через слой нитрида кремния для межприборной изоляции силовых GaN/Si-транзисторов / В.И. Егоркин, С.В. Оболенский, В.Е. Земляков, А.А. Зайцев, В.И. Гармаш // Письма в Журнал технической физики. – 2021. – Т. 47, № 18. – С. 15–17.
  • 6. A review of high-speed GaN power modules: State of the art, challenges, and solutions / A.I. Emon, Mustafeez-ul-Hassan, A.B. Mirza, J. Kaplun, S.S. Vala, F. Luo // IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics. – 2022. – Vol. 11, No. 3. – P. 2707–2729.
  • 7. High frequency, high efficiency, and high power density GaN-based LLC resonant converter: State-of-the-art and perspectives / S.A. Mortazavizadeh, S. Palazzo, A. Amendola, E. De Santis, D.D. Ruzza, G. Panariello, A. Sanseverino, F. Velardi, G. Busatto // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11, No. 23. – P. 11350.
  • 8. Остриров В.Н. Опыт разработки источника питания бортовой сети на перспективной элементной базе / В.Н. Остриров, М.С. Яковенко, Д.В. Репецкий, К.В. Мильский, В.В. Краснов // Вестник МЭИ. – 2020. – № 4. – С. 113–121.
  • 9. Design consideration of MHz active clamp flyback converter with GaN devices for low power adapter application / X. Huang, J. Feng, W. Du, F.C. Lee, Q. Li // 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). – California, USA: IEEE, 2016. – P. 2334–2341.
  • 10. Tong Q. Design of a synchronous rectifier flyback DC-DC converter using GaN FETs for commercial aerospace applications // 2020 IEEE 3rd International Conference on Electronics Technology (ICET). – Online: IEEE, 2020. – P. 308–313.
  • 11. Bulut Ö. Design and loss analysis of a 200-W GaN based active clamp forward converter / Ö. Bulut, M.T. Aydemir // 2018 5th International Conference on Electrical and Electronic Engineering (ICEEE). – Istanbul, Turkey: IEEE, 2018. – P. 97–100.
  • 12. Maqueda M.G. High Efficiency GaN Based Resonant Reset Forward Converter with Synchronous Rectification for Space Applications / M.G. Maqueda, V. Svikovic // 2023 13th European Space Power Conference (ESPC). – Alicante, Spain: IEEE, 2023. – P. 1–8.
  • 13. Design and Optimization of 100 V GaN Multi-chip Power Micromodule Based on AlN DBC Substrate / E.S. Polyntsev, I.Y. Kodorova, A.A. Aksenov, V.A. Kagadey // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – Altai Republic, Russia: IEEE, 2024. – P. 1180–1184.
  • 14. Kodorova I.Y. Thermal Analysis of Packaging Solution for GaN Multi-chip Power Micromodule / I.Y. Kodorova, E.S. Polyntsev, V.A. Kagadey // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – Altai Republic, Russia: IEEE, 2024. – P. 1230–1233.
  • 15. High Frequency 1 MHz 72 W Forward Converter with Active Clamp and Synchronous Rectifier Based on GaN Multichip Power Micromodules / E.S. Polyntsev, A.I. Bartenev, I.Y. Kodorova, A.A. Aksenov, V.A. Kagadey // 2025 IEEE 26th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – IEEE, 2025. – P. 790–795.
Адрес редакции

  634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, МК, каб. 310/2

  (3822) 701-582, внутр.: 1456

  journal@tusur.ru