GaN-прототип на 5.5 кВА убрал HV-шину и умеет питать остров

На осциллограмме стенд принимает из сети 5.5 kW, а возле нулевого перехода входного тока получает новое задание и начинает отдавать те же 5.5 kW обратно. Затем этот же силовой узел отключают от сети и используют как островной источник: к одной фазе подключают деревообрабатывающий фрезер, к другой — резистивную нагрузку, третью оставляют пустой. Такой набор ролей обычно раскладывают по нескольким преобразователям. Здесь их собрали вокруг одной изолированной ВЧ-трансформаторной системы.

Три фазы сразу заходят в изолирующее ВЧ-звено

X-Rectifier ETH Zürich содержит три одинаковых сетевых канала с монолитными двунаправленными 650-V GaN-ключами. Каждый канал через свою ёмкостную ветвь возбуждает обмотку ВЧ-трансформаторной системы; вторичные обмотки сведены в open-delta и работают с общим четырёхплечим мостом на DC-стороне. Между сетевыми фазами и изолирующим переносом энергии нет привычного выпрямителя с промежуточным накопительным высоковольтным звеном. Энергия пересекает гальваническую развязку в том же одноступенчатом процессе, который формирует ток сети и регулирует DC-напряжение 250–450 V.

Именно это даёт редкую свободу режимов. Один канал можно заставить брать активную мощность, другой — поддерживать реактивный обмен, а при пропадании сети вторичный мост начинает задавать выходные синусоиды. Для трёхфазного и однофазного PFC-режима при заданной входной мощности 5.5 kW авторы получили THD входного тока ниже 2.5%. Прототип рассчитан на 5.5 kVA, работает от сети 230 Vrms line-to-neutral и коммутирует на 144 kHz. Вход требует четырёхпроводную звезду с нейтралью: переносить этот результат на трёхпроводную сеть нельзя.

Разворот мощности делает FPGA

Управление распределено между FPGA и ARM-ядром AMD Zynq-7020. FPGA выдаёт ШИМ с разрешением 7 ns, контур управления работает с частотой задачи 48 kHz. Такая связка нужна не ради цифровой экзотики: фазовым модуляторам приходится удерживать форму сетевого тока, координировать перенос через трансформатор и без рывка менять направление мощности. Входные двунаправленные ключи имеют типовое R_SS(on) 25 mΩ; авторы рассматривают мягкое переключение, однако измерительной карты ZVS/ZCS для всех режимов не публикуют.

Фрезер нашёл слабое место контура

Островной опыт хорошо показывает, где красивая архитектура встречает реальную нагрузку. Однофазный пылесос мощностью 1 kW дал пусковой ток 39 A. Фрезер мощностью 900 W вызвал просадки и колебания напряжения на своей фазе: полоса регулятора не успела подавить его резкие нелинейные токовые импульсы. Это уже полезнее идеальной синусоиды на резисторе: силовой каскад действительно переживает бытовую механику, но его управление ещё требует доработки.

До автомобильного бортового зарядника этому стенду далеко. DC-сторону в сетевых опытах заменяет лабораторный источник, полной карты КПД, разбивки потерь, тепловых измерений, EMC, данных по изоляции и ресурсу работа не даёт. Но сам опыт убедителен: зарядник может перестать быть односторонним выпрямителем и стать изолированным силовым маршрутизатором между тремя фазами, батареей и локальной нагрузкой.