基于氮化镓单片双向开关的升降压DC-DC变换器

当系统设有中间母线，同时需要对输入电压做升压或降压变换时，升降压（buck-boost）变换器非常适用。本文介绍一种新型方案：在飞电容多电平升降压变换器中，采用氮化镓（GaN）单片双向开关。

升降压变换器

大量依靠电池、燃料电池储能与后备供电的场景中，电池荷电状态（SoC）变化会带来输入电压波动，升降压变换器是保障供电稳定的核心器件，电动垂直起降飞行器（eVTOL）就是典型应用。这类场景对变换器的核心诉求是：更高的转换效率、重量功率密度，以及支持双向功率流动。

图 1 基础同相升降压（NIBB）拓扑。

为解决上述短板，业界提出了飞电容多电平（FCML）升降压拓扑。飞电容多电平架构把总电压分摊到多只开关与电容上，可选用耐压规格更低的功率器件，以此提升效率与功率密度。但传统 FCML 升降压方案依然需要大量分立 GaN 开关、栅极驱动与外围辅助器件，物料清单（BOM）成本、电路复杂度上升，可靠性随之下降。

CoBB 变换器：GaN 单片双向开关方案

本文介绍的拓扑命名为 CoBB（电容振荡型升降压，Capacitor-Oscillating Buck-Boost），核心创新是用**单片双向 GaN 开关**替代分立功率器件。单片双向 GaN 开关把两个 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）集成在同一芯片内，共用源极；单颗芯片即可实现双向耐压、双向导通电流。

图2 CoBB 变换器拓扑（降压/升压）

CoBB 两电平输入电感版本，包含：主拓扑、降压模式、升压模式

研究团队搭建了一台 1kW 硬件样机，面向 eVTOL 动力电源，样机参数：

- 输入电压：200 V ~ 500 V

- 输出电压：270 V

- 开关频率：100 kHz

- 额定功率：1 kW

效率与测试结果

高效率来源于两点：

1. 每只 GaN 开关承受电压应力更低，开关损耗显著降低；

2. 两颗 GaN 管集成在同一个单片封装内，回路寄生电感大幅减小。

和分立 GaN 搭建的 FCML 升降压相比，CoBB 拓扑还降低了栅极驱动功耗，简化驱动电源设计。

总结

单片双向 GaN 开关可以显著简化多电平飞电容升降压 DC-DC 变换器。CoBB 样机验证了该拓扑能够实现超高效率、飞电容电压自均衡，同时减少器件数量。该方案非常适合 eVTOL、储能、燃料电池系统里的高密度双向 DC-DC 功率变换。后续研究方向：向更大功率等级拓展，并把保护电路集成到 GaN 开关芯片内部。