GaN Totem-Pole converter: design, operation, and validation for AC-DC and DC-AC modes

Abstract

Este trabalho apresenta a análise, o projeto e a validação experimental de um conversor Totem-Pole Bridgeless com transistores de Nitreto de Gálio (GaN), operando como inversor (CC-CA). O conversor é capaz de funcionar também como retificador (CA-CC), utilizando os mesmos estágios de comutação, o que o torna atrativo para aplicações em sistemas veiculares com interface bidirecional (V2G), fontes de alimentação ininterruptas (UPS) e redes inteligentes. O estudo contempla uma análise da operação em modo de condução contínua (CCM), com atenção especial ao comportamento durante os instantes de cruzamento por zero da tensão de entrada, nos quais o controle do braço de baixa frequência se torna crítico, impactando a distorção harmônica e as perdas por comutação. O projeto do indutor de entrada foi baseado em uma metodologia consolidada na literatura, considerando características elétricas, físicas e térmicas, incluindo as perdas no núcleo e nos enrolamentos. Para garantir alta eficiência e baixa distorção harmônica, foram adotados dispositivos de banda proibida larga (WBG), com destaque para transistores GaN, capazes de operar em altas frequências de comutação e com recuperação reversa praticamente nula. Resultados de simulações e ensaios experimentais são apresentados com um protótipo construído para validar a análise teórica e o desempenho do conversor operando como inversor.

Abstract: This work presents the analysis, design, and experimental validation of a Totem-Pole Bridgeless converter using Gallium Nitride (GaN) transistors, operating as an inverter (DC-AC). The converter is also capable of operating as rectifier (AC-DC) using the same switching stages, which makes it attractive for bidirectional interface applications such as Vehicle-to-Grid (V2G) systems, Uninterruptible Power Supplies (UPS), and smart grids. The study includes an analysis of continuous conduction mode (CCM) operation, with special attention to the behavior during the zero-crossing intervals of the input voltage. These intervals represent control challenges, particularly due to the influence of the low frequency leg, and they directly impact harmonic distortion and switching losses. The input inductor was designed based on a well-established methodology from the literature, taking into account electrical, physical, and thermal characteristics, including core and winding losses. To ensure high efficiency and low harmonic distortion, wide bandgap (WBG) devices were adopted, especially GaN transistors, which can operate at high switching frequencies with nearly zero reverse recovery. Simulation and experimental results are presented using a laboratory prototype, developed solely to validate the theoretical analysis and demonstrate the inverter-mode performance of the converter