基于GaN海浪发电中的双向DC-DC变换器设计.pdf

摘要

近年来新能源发电应用技术发展迅速，世界范围内均加大了对新能源产业的

支持和投资，促进了海浪能、风能等清洁能源技术的进一步发展和推广。海洋波

浪能作为一种清洁可再生能源，拥有广阔的应用前景。由于海浪能发电技术在电

能传输与存储方面受众多因素影响，导致输出电能出现随机性和间歇性的问题，

无法直接输送到电网或为用电设备供能。通常在海浪发电系统中增加储能装置可

以解决此问题，双向直流-直流（DC-DC）变换器则是海浪发电机，储能装置，

用电设备三者之间重要的能量传输工具。

本文以应用于海浪发电机，储能装置和用电设备之间的双向DC-DC变换器

为设计目标，基于氮化镓高电子迁移率（GaNHEMT）功率器件对双向DC-DC

变换器进行设计。首先，对海浪发电的整体装置结构和电机原理做了分析，说明

了海浪发电输出电能随机性和间歇性的问题。为了解决此项问题，引入双向DC-

DC变换器，对主要拓扑结构进行说明，并基于四开关式降压-升压（Buck-

Boost）拓扑结构进行设计。其次，为了提升该DC-DC变换器的转换效率，本文

应用第三代宽禁带半导体GaNHEMT替换传统的硅半导体场效应晶体管（Si

MOS）。为了能更好的应用GaNHEMT，将GaNHEMT和SiMOS进行对比，分

析GaNHEMT的静态特性；搭建双脉冲开关测试平台，分析GaNHEMT的动态

性特性。再次，根据主电路拓扑结构、GaNHEMT性能及海浪能发电用电能储能

的需求给出设计指标，进行参数计算及外围控制电路设计。其中，硬件主电路包

括GaNHEMT开关管、储能电感、滤波电容的选型，基于拓扑的需求，外围电路

包括控制电路、驱动电路、采样电路和电源电路。通过采用STM32G474单片机

作为主控制器对变换器进行数字控制，替换传统的模拟控制。分别编写模拟数字

转换（ADC），高精度定时器等模块的程序，并在系统当中加入比例、积分、微

分（PID）控制对电路进行闭环控制，当输出电流变化或者负载变化时可以自动

调节，满足储能装置的充电要求。

最后，为了验证双向DC-DC变换器拓扑结构及设计的可行性，搭建基于

STM32G474控制的双向DC-DC变换器的实验样机进行测试，测试出降压模式下

变换器在涓流、恒流和恒压下稳定输出24V为储能设备充电；升压模式下从轻载

到满载稳定输出32V电压。本实验验证了该双向DC-DC变换器能够对储能蓄电

池进行恒定充电及对负载进行稳定供能。

关键词：海浪发电，双向DC-DC变换器，四开关Buck-Boost拓扑，GaN功

率器件，数字控制

Abstract

Inrecentyears,theapplicationanddevelopmentofnewenergygeneration

technologieshavebeenrapid,withincreasedsupportandinvestmentworldwideinthe

newenergyindustry,promotingfurtherdevelopmentandadoptionofcleanenergy

technologiessuchaswaveenergyandwindenergy.Oceanwaveenergy,asacleanand

renewableenergysource,hasbroadapplicationprospects.However,theoutputofwave

energygenerationtechnologiesisaffectedbyvariousfactors,leadingtotheissueof

randomnessandintermittencyinelectricitygeneration,makingitdifficulttodirectly