在光伏微型逆變器與便攜式儲能系統(tǒng)中，傳統(tǒng)兩級拓撲（DC/DC + DC/AC）雖技術(shù)成熟，但存在效率瓶頸（通常≤96%）、元件數(shù)量多、體積大等問題。德州儀器推出的TIDA-010954參考設(shè)計采用基于GaN的單級cyclo轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，實現(xiàn)了更高效率、更高功率密度與更低系統(tǒng)成本。

傳統(tǒng)兩級架構(gòu)的局限

典型的兩級微型逆變器先通過反激或推挽式DC/DC升壓至400VDC中間總線，再經(jīng)全橋逆變輸出交流電。該結(jié)構(gòu)需使用10–12個高壓開關(guān)器件，且整流級常采用二極管，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗高。此外，低頻（<100kHz）工作限制了磁性元件的小型化。

Cyclo轉(zhuǎn)換器工作原理

cyclo轉(zhuǎn)換器直接將直流輸入合成為交流輸出，無需中間直流鏈路。TIDA-010954采用“直流側(cè)全橋 + 交流側(cè)半橋”結(jié)構(gòu)（如圖3所示），通過變壓器實現(xiàn)電氣隔離。其本質(zhì)是一個相移控制的雙有源電橋（DAB），但次級側(cè)電壓隨電網(wǎng)正弦波動態(tài)變化。

正半周：S1B、S2B常通，S1A/S2A互補PWM，初級電壓VP超前次級VS實現(xiàn)能量傳輸；

負半周：S1A、S2A常通，S1B/S2B調(diào)制，VP滯后VS完成反向功率傳輸。

GaN器件的優(yōu)勢應(yīng)用

設(shè)計選用TI的GaN FET以支持高頻軟開關(guān)運行：

初級側(cè)：LMG2100R026（100V, 2.6mΩ）半橋，低RDS(on)減少導(dǎo)通損耗；

次級側(cè)：LMG3650R035（650V, 35mΩ）集成驅(qū)動器，降低布局復(fù)雜度。

GaN的低COSS和關(guān)斷損耗擴展了零電壓開關(guān)（ZVS）范圍，使轉(zhuǎn)換器可在300–600kHz高頻下運行，顯著減小變壓器和濾波電感體積。

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擴展相移控制策略

為應(yīng)對交流側(cè)電壓周期性變化帶來的軟開關(guān)挑戰(zhàn)，設(shè)計采用兩種模式：

模式II（大功率，靠近交流峰值）：固定相移，確保ZVS；

模式III（輕載/過零點）：脈沖內(nèi)嵌控制，降低變壓器RMS電流與傳導(dǎo)損耗。

控制算法在TMS320F28P550（150MHz）上運行，20kHz中斷服務(wù)例程MCU占用率<40%，得益于其可配置邏輯塊（CLB）硬件加速PWM同步更新。

性能實測與成本優(yōu)勢

實測顯示：

峰值效率達97%，ηCEC ≈ 96.4%，ηEuro ≈ 95.4%；

600W滿載THD僅2.6%，優(yōu)于并網(wǎng)標準；

功率密度約600W/L，為傳統(tǒng)兩級方案的兩倍。

成本方面，盡管GaN器件單價較高，但磁性元件體積大幅縮減（高頻運行）、EMI濾波器簡化、開關(guān)總數(shù)減少，整體BOM成本降低約12%（以推挽式為基準）。