基于SiC MOSFET的功率合成發射機?

費廣樂

（中國人民解放軍南部戰區海軍參謀部信息保障處 湛江 524003）

1 引言

海軍戰略通信系統是國家戰略通信系統的重要組成部分［1～2］，其中，戰略核潛艇是最具震懾力的二次核打擊力量［3］。考慮到未來信息化戰爭的特點及保障戰略核潛艇實施“核按鈕”指揮通信的需求［4～6］，需要有一種具備較強頑存力的對潛通信手段［7］。但潛艇所在的海水是導電介質，對電磁波具有很大的衰減作用。為克服這個難題，目前世界各國主流的對潛通信手段都是采用甚低頻和極低頻通信［8～9］。甚低頻通信在海軍戰略通信系統和國防應急通信中充當著至關重要的作用。

為了提高國防安全性以及對潛通信的抗打擊能力［10］，除了固定長波發射臺，還應建造能夠機動部署的載具平臺［11］，包括路基、海基及空基等。在這些機動臺中，由于載具一般是體積和供電能力受限的車輛、艦船或飛機，對系統效率和功率密度有著極高的需求。大功率高性能的甚低頻發射機是長波通信中的關鍵設備，直接決定著整個系統的體積、重量、效率和性能［12］。

21世紀以來，以IGBT和MOSFET為代表的全控型硅基電力電子開關器件已服務于我國的各大長波通信臺上。但由于30kHz的工作頻率已經逼近 IGBT的速度極限，因而損耗也較大［13～14］；而硅基MOSFET雖然速度更快，但容量較小，功率密度也不高［15］。因此基于硅基IGBT和MOSFET的長波通信臺功率一般都較低。

以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體器件正好可以填補這個空白［16］。SiC MOSFET不僅開關速度快、效率高，而且單管功率相比傳統硅基MOSFET提高了10倍以上，功率密度大幅提高［17～18］。不僅適用于大功率的固定長波發射臺，而且特別適用于機動部署的載具平臺。研發基于SiC的甚低頻長波通信系統對于提高我國的戰略威懾力具有至關重要的意義。本文即研究基于SiC MOSFET的功率合成發射機。

2 基于SiC MOSFET的功率合成發射機

為提高甚低頻發射機對于體積、重量、效率、諧波等性能指標，本文設計的功率合成發射機主電路結構如圖1所示，包括可調直流電源、級聯功率橋、高頻隔離變壓器以及天線負載等部分。發射機的功率橋采用輸入并聯輸出串聯結構，不僅結構簡單，模塊化強，易于擴展，而且輸出側的高壓通過高頻變壓器與原邊隔離，功率橋絕緣要求低，安全性能好。根據總輸出功率的要求以及每個功率橋的最大輸出功率，可以使用多級功率橋串聯。

圖1 基于SiC MOSFET的功率合成發射機主電路

2.1 可調直流電源

為了使得發射機輸出功率可調，同時提高發射機的輸出阻抗，必須設計輸出電壓可調的高功率密度直流供電電源。采用傳統晶閘管相控整流的直流電源不僅諧波大，功率因數低，而且效率低，體積笨重。本文采用Boost電路實現270V直流輸入，輸出270V～600V直流可調。

圖2 采用傳統Boost升壓電路的可調直流電源

圖2為采用傳統Boost升壓電路圖。可調直流電源的輸入為270V直流，電容C1、C2、電感L、開關器件S以及二極管D構成了一個Boost電路，用于將輸入直流升壓［19］。

為了減小電流紋波和電感體積，必須盡量提高開關管S的工作頻率。為提高效率和功率密度，開關管和二極管均采用SiC MOSFET模塊，一方面可以大幅提高開關頻率，減小濾波電感L體積，另一方面，SiC二極管的反向恢復損耗幾乎為0，二極管損耗可大大減小。

傳統Boost升壓電路拓撲結構簡單、效率高、易于控制，但是受到器件容量的制約，特別是在采用SiC MOSFET條件下，可選擇的模塊類型極其有限，本文設計方案采用交錯并聯技術解決此問題，它通過多個變換器交錯并聯，每一路開關器件通過電流僅為輸入電流的一部分，降低了開關的容量要求［20～21］。其原理圖如圖3所示。

圖3 采用交錯并聯Boost升壓電路的可調直流電源

1）器件選型

考慮到Boost電路中的電流變化率、電流峰值，同時為降低支撐電容的容量和EMC問題，設計方案選擇了交錯并聯Boost電路，其驅動波形交錯180度，基于以上方案，按照額定值計算如下。

輸入電壓為270V直流電壓，輸出最大電壓600V直流電壓，主開關占空比為

由于實際回路電源內阻，回路電阻的存在，實際占空比會比以上計算結果稍高。根據設計需求，額定情況下輸出波形占空比為55%方波，方波高電平電壓值為600V，后端為輸出50%占空比方波的H橋電路，其輸出電流峰值為200A，有效值為100A，開關頻率30kHz。綜合考慮選用CREE公司CAS300M12BM2型號的MOSFET半橋模塊，其VDS為1200V，ID為404A，符合設計要求。

2）電感值計算

由于采用交錯并聯電路結構方式，功率分別有兩路Boost電路提供，且兩路電路參數一致，可以由能量守恒計算出在臨界狀態使用的電感值。開關頻率為30kHz，則開關周期T為

再結合 D=0.55，Ton=DT=18.3μs，Toff=（1-D）T=15μs。為方便計算，把負載等效為純阻性負載，設平均功率P=30kW，Uo=600VDC，則

根據Boost電路的基本公式：

可得能夠使得輸出電流連續電感臨界值為49.5μH，為限制電流變化率，綜合考慮實際工況，電感選型結果為50A/100μH/350V。

2.2 級聯功率橋

級聯功率橋部分采用多級H橋級聯的拓撲替代傳統單級H橋拓撲，多級H橋級聯的拓撲優點為開關管電壓應力低，輸出電平數多可以有效減小輸出濾波器，dv/dt小從而可以有效減小電磁干擾。

但是受限于發射機的功率密度和容量，要求單個功率橋功率大，因此所需串聯的功率橋單元數量少，輸出電壓諧波較大。為了減小輸出濾波器的體積和重量，必須在控制算法上盡可能減小輸出電壓的低次諧波。通過合理選取導通角度可以實現低次諧波的抑制。首先將輸出方波進行傅里葉分解，對于方波，設其在時域內的表達式為

分別求得傅里葉級數系數為

故可得信號的傅里葉級數為

功率合成時，兩功率橋輸出相同波形，但是相角相差角度φ，即功率橋1和功率橋2的輸出分別為

三次諧波分量

n次諧波分量

通過以上計算可以獲知，可以通過調整φ來調整削弱諧波分量，甚至可以通過調整φ達到完全消除某一次諧波的目的，當我們想完全消除3次諧波分量時，需滿足

求解上述超越方程可知

為了求解φ在0～π之間的解，當k=-1時，有φ=π/3，即在兩功率橋輸出電壓的相角應相差角度為π 3，如圖4所示。

圖4 移相示意圖

依據以上分析，采用諧波抑制算法后合成的輸出電壓波形中將不含有三次諧波分量，根據傅里葉分級公式可知高次諧波分量幅值相比于基波和三次諧波，其幅值較小，同時在經過濾波器之后，可有效濾除高次諧波分量，從而滿足電源的諧波質量要求。

3 搭建發射機Matlab/Simulink仿真

為驗證技術原理和參數設計合理性和可行性，在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建系統平均值模型進行仿真分析，所搭建的仿真模型如圖5所示。

在仿真分析中，對系統的動態特性和穩態特性分別加以驗證。在Matlab中通過控制S函數控制模型中3組12個開關的狀態，控制建模圖如圖6所示。

圖5 仿真建模圖

圖6 控制建模

可調直流電源內部電路采用的是交錯并聯的Boost電路，輸出為可調的直流電壓，單路Boost電路的輸入電流應為開關頻率下的鋸齒波，兩路Boost電路并聯運行中每一輸入電流為開關頻率下的鋸齒波，兩路并聯后輸入電流為二倍開關頻率的鋸齒波，后級功率橋正常工作，按前述策略輸出階梯波以模擬正弦波電壓，負載類型為阻感負載，Boost及功率橋輸出電壓，輸入電流波形如圖7所示。從上到下依次為可調直流電源輸出電流（A）、單路Boost輸入電流（A）、可調直流電源輸出電壓（V）。

圖7 阻感負載時可調直流電源仿真電壓電流圖

此時變壓器串聯后輸出電壓波形即為預期的階梯波，如圖8所示。從上到下依次為為輸出到阻感負載上時的電流（A）和電壓（V）波形。

如果將感性負載切掉，只保留純阻性，且阻值較大時，可調直流電源仍可保持較好的電壓輸出。此時仿真結果如圖9所示，從上到下依次為可調直流電源輸出電流（A）、單路Boost輸入電流（A）、可調直流電源輸出電壓（V）。

此時輸出到負載上的電壓電流波形如圖10所示。從上到下依次為為輸出到阻性負載上時的電流（A）和電壓（V）波形。

圖8 阻感負載時變壓器輸出仿真電流電壓圖

圖9 阻性負載時可調直流電源仿真電壓電流圖

圖10 阻性負載時變壓器輸出仿真電流電壓圖

4 交錯并聯結構閉環控制算法設計

可調直流電源中，為實現輸出電壓穩定且連續可調，控制上采用電壓電流雙閉環控制，其控制框圖如圖11所示。

在此次設計方案中，為提高功率密度，采用了寬禁帶半導體器件，提高開關器件的開關頻率，使得電感充放電時間較短，電感體積明顯減小，但是同時也限制了控制周期的大小，為提高控制性能，減小輸出電壓電流紋波，盡量減小控制周期，為保證在有限時間內完成控制算法的計算任務，對核心控制器的計算能力提出較高要求，傳統嵌入式設計中，多采用MUC或DSP等串行計算芯片，該類芯片計算能力受到其計算模式的限制，同時只能進行一項計算任務，少數高端控制器可進行雙核雙線程計算，但是如果采用CPLD或FPGA等并行計算的控制器，則可實現多線程計算，即可同時進行算法計算、電壓電流采樣、上位機下位機端口通訊、PWM指令發送等多個任務，但是并行計算語言，在編程設計上設計時序設計，在電壓電流雙閉環設計的算法中進行時序編程設計，對編程者的要求較高，調試工作巨大，但為保證設備整體性能，本方案選用并行計算。

5 結語

本文引出了研發基于SiC的甚低頻長波通信系統的重要意義，并詳細分析了基于SiC MOSFET的功率合成發射機基本原理。通過理論分析和計算，選型出符合本發射機電壓電流額定參數且在市場上已批量在售的SiC MOSFET型號，以及選型出合適的高頻電感和母線電容。并通過Matlab/Simu?link軟件進行仿真，搭建S函數進行控制，得到了負載為阻感和純阻性時，可調直流電源的輸出電壓，輸出電流，單路Boost輸出電流波形，以及串聯變壓器后的輸出電壓和輸出電流波形，驗證了本文拓撲搭建和參數設計的合理性。