GaN-мост гасит рябь кремниевого инвертора, почти не питая нагрузку

На осциллограмме общей нагрузки полезная синусоидальная составляющая остаётся почти целиком за IGBT-ветвью. Рядом работает GaN-мост: его ток мал по сравнению с основным, зато на частоте коммутации он развёрнут так, чтобы встретить пульсации кремниевой ветви встречным импульсом. В сумме два несовершенных тока дают заметно более чистый.

Мост, который несёт только ошибку

Такую схему проверили в гибридном двухканальном инверторе, описанном в IEEE Transactions on Power Electronics. Кремниевый мост переключается на 10 кГц и переносит основную часть энергии. GaN-мост работает на 500 кГц и добавляет ток, форма которого компенсирует высокочастотную составляющую IGBT. В основной экспериментальной точке фундаментальный ток распределён между ветвями как 4:1: около 80% приходится на IGBT, около 20% — на GaN.

Самая неприятная часть такой компенсации — угадать амплитуду встречной ряби. Она меняется с индуктивностями, разбросом компонентов и режимом работы. Авторы не пытаются измерять каждый быстрый ток замкнутым контуром на сотнях килогерц. Обычный контур обратной связи регулирует медленную, фундаментальную составляющую. Быстрая команда GaN-мосту строится предварительно, по скважности и состоянию управления кремниевого моста. В прототипе 16-битное значение скважности забирает DMA прямо из регистра ePWM контроллера TI TMS320F28379D; передача занимает около 15 нс.

Подстройка по следу оставшейся ряби

Оставшуюся ошибку всё же приходится наблюдать. Ток пропускают через полосовой фильтр, настроенный на частоту переключения IGBT, выпрямляют и усредняют. Получается одно число, показывающее величину непогашенной ряби. Контроллер понемногу сдвигает коэффициент GaN-компенсации, пока это число не достигнет минимума. Такая подстройка снимает требование заранее знать точные параметры ветвей; в приведённой конфигурации индуктивность GaN-ветви составляла 16 мкГн при 140 мкГн у кремниевой.

Чище ток без выигрыша в КПД

Результат важен именно качеством тока. При шине 200 В авторы получили THD 2.9% для гибридного режима против 11.4% у одного IGBT-инвертора с той же индуктивностью. КПД составил 95.5% против 95.6%, то есть улучшение спектра на этом стенде куплено потерей 0.1 процентного пункта КПД. Это авторские измерения для конкретного режима, а не доказательство универсальной экономии или готовой замены всех силовых мостов.

Идея меняет роль быстрого широкозонного ключа. Его можно ставить рядом с мощным кремниевым каскадом как активный корректор гармоник, а не рассчитывать на полный перенос мощности через дорогую высокочастотную ветвь. Похожая топология напрашивается для активного подавления пульсаций, гибридных усилителей и последовательных корректоров напряжения. Базовый вариант метода уже показывали на APEC 2025; журнальная версия добавила автоматическую подстройку.