基于內置SiC-MOSFET的AC/DC準諧振變換器研制

摘要："該文首先闡述了BM2SC12xFP2-LBZ的軟開關、過流保護等基本功能，然后基于此芯片設計了一款反激變換器，該文簡單介紹了變壓器、過流檢測和過流保護點等關鍵參數的設計過程。最后通過實驗測試論證變換器工作于準諧振狀態，變換器的效率可達到90%以上。相比于其他軟開關的控制策略，該變換器控制策略相對簡單，使用元器件數量少，易于設計實現。

關鍵詞："BM2SC12xFP2-LBZ"反激變換器"準諧振"高效率

中圖分類號：TN45""文獻標識碼：A

Development"of"the"AC"/"DC"Quasi-Resonant"Converter"Based"on"Built-in"SiC-MOSFET

WANG"Guigang""WANG"Heng""LI"Xue""ZHANG"Xiyu

（Aerospace"Shentuo"（Beijing）"Technology"Co.，"Ltd.，"Beijing，"100176"China）

Abstract："This"paper"first"expands"the"basic"functions"of"BM2SC12xFP2-LBZ，"such"as"soft"switching"and"overcurrent"protection."Then"it"designs"a"flyback"converter"based"on"this"chip，"and"briefly"introduces"the"design"process"of"key"parameters"such"as"transformers，"overcurrent"detection"and"overcurrent"protection"points."At"last，"it"proves"that"the"converter"works"in"the"quasi-resonant"state"by"experimental"measurement，"and"that"the"efficiency"of"the"converter"can"reach"more"than"90%."Compared"with"the"control"strategies"for"other"soft"switches，"the"control"strategy"for"this"converter"is"relatively"simple，"uses"a"small"number"of"components，"and"is"easy"to"design"and"implement.

Key"Words："BM2SC12xFP2-LBZ;"Flyback"converter;"Quasi-resonance;"High"efficiency

BM2SC12xFP2-LBZ"系列芯片是一款內置MOSFET的集成電路[1]，該電路將開關管及其控制電路集成于芯片中，功率變換器設計相對簡單，元器件數量少；芯片功能豐富，可實現準諧振、過溫控制，特別適合于AC/DC變換器的應用。

1"內置SiC-MOSFET控制芯片簡介

BM2SC12xFP2-LBZ"系列芯片是由ROHM半導體公司研發的內置SiC-MOSFET"AC/DC準諧振集成電路。電路的準諧振功能可實現軟開關，并有助于保持EMI較低[2]；芯片內置了1700V"SiC-MOSFET，采用這種集成電路可以很容易地實現功率變換器設計[3]。利用電路電流檢測電阻器作為外部器件，可靈活實現負載突變的控制。

BM2SC12xFP2"LBZ系列包括各種保護功能，如軟啟動功能、突發操作功能、每周期過流限制器、過壓保護、過載保護。電路原理如圖1所示[1]。

芯片的第2腳為供電電源端VCC，電壓范圍15～27.5"V之間。第4腳FB為電壓反饋輸入端，電壓上升時范圍為2.5～3.1"V，電壓下降范圍為2.3～2.9"V，在設計時可取中間值2.7"V選擇反饋電阻。第5腳為輸入交流電壓檢測端，第1腳為零電流檢測端，為實現功率變換器準諧振采集輸入端。第6、7腳為內置SiC-MOSFET的源極，通過電流采樣電阻接地，EXP-PAD為內置SiC-MOSFET開關管漏極，為高壓輸入端。

2"電源技術指標

該電源設計主要給石油鉆井旋轉導向系統控制電路供電。旋轉導向系統工作環境溫度高，控制電路易受干擾[4]。故電源模塊紋波電壓要求少，電磁干擾小。該電源的輸入為三相交流電源210～480"V"AC，經整流之后的電壓范圍為300～900"V"DC，具體指標如表1所示。

3"電源參數設計

3.1"原理圖設計

基于BM2SCQ123T設計的反激變換器如圖2所示。變壓器有三個繞組，分別為原邊繞組NP、副邊兩繞組NS以及輔助繞組ND，整流橋、變壓器和副邊肖特基二極管、濾波電容、吸收電路的設計與傳統反激電路的設計方法相同，參數計算結果如表2所示，該文僅介紹利用芯片BM2SCQ123T的新功能來設計過流保護點。

3.2.2過流檢測電阻R14

BM2SC12xFP2-LBZ系列芯片通過限制流向一次側的電流來設置輸出的過載保護點。輸入電壓越高，接通時間越短，開關頻率越高。因此，某些過電流限制器的最大允許功率增加是通過切換IC內部的過電流保護功能來采取對策。對于高電壓，確定接通時間或將電流比較器設置為正常值的0.7倍，如圖3所示。通過監測芯片ZT引腳的流入電流來檢測輸入電壓并執行切換。當MOSFET導通時，ZT引腳夾在IC內部接近0V。流入電流IZT由式（1）[6]"表示：

過流限制器的切換在IZT=1"mA時切換，切換輸入電壓設定為VIN=537"V。由于過載保護點在切換電壓下處于最小值，因此在最小輸入電壓下計算電流檢測電阻。過載保護點是最大負載電流IOUT（max）=2.0"A+20%=2.4A。此時開關頻率為35.2"kHz，一次側的峰值電流：IPPK為1.46"A。過電流檢測電壓：VLIM1=1.0"V。

考慮到脈沖電阻，允許功率應為1"W或更大。關于脈沖電阻，相同功率額定值可能根據電阻器的結構而變化。該文選用0.47"、2"W的銅絲來代替電阻。

3.2.3"過流保護點設置R16"R17

BM2SC12xFP2-LBZ"系列芯片具有輸入電壓的過載保護補償功能。在IC檢測到過載之后，在開關操作停止之前存在延遲時間。該延遲隨著輸入電壓升高而增加過載保護點。當輸入電壓超過某一值時，校正功能降低電流檢測電平，此功能補償過載。IZT是開關接通時從IC流向變壓器ND繞組的電流。通過在IZT高于1"mA時降低電流檢測電平，可以降低過載保護點。

取R16=100"。重新檢查過載保護點切換后是否可以承受額定負載。當過載保護點切換時，Vcs從1.0"V變為0.7"V，核算電源的輸出功率如式（6）～式（12）所示[7]。

電源模塊過載點輸出功率按式（13）所示[4]：

BM2SC12xFP2-LBZ"系列芯片ZT引腳的底部檢測電壓為VZT1=100mV（典型值）（當ZT引腳電壓下降時），VZT2=200"mV（一般值）（當ZT引腳電壓上升時），從ZT"OVP（最小值）=3.3"V開始，將VZT=1～3"V。計算R17時，VZT設置為2.5"V[8]。

4"電路測試

該文設計的反激變換器在輸入電壓VIN=300"V、VIN=900"V和半載IOUT=1.0"A、全載IOUT=2.0"A的情況下，輸出電壓紋波如圖4～圖7所示，電壓紋波均在200"mV以內，滿足設計要求。

BM2SC12xFP2-LBZ系列芯片具有準諧振功能，輸入電壓分別在VIN=300"V和VIN=900"V，IOUT"=2.0"A時，開關管漏源之間的電壓波形VDS和流過開關管的電流IDS以及整流肖特基二極管兩端的電壓波形VF以及流過二極管的電流IF波形如圖8～圖11所示。電壓和電流的尖峰不大，振蕩的時間相對比較短。該電源為了使EMI小，已在變壓器原邊和副邊地信號加Y-電容、開關管MOSFET、肖特基二極管增加吸收電路，如圖2所示。

5結語

經石油鉆井系統應用證明，應用BM2SC12xFP2-LBZ系列芯片來設計反激變換器工作可靠，平均無故障時間長。開關電源占用體積更小，元器件數量更少，具有很強的推廣應用價值。

參考文獻

[1]"ROHM"SEMICONDUCTOR.BM2SC12XFP2-LBZ"Series"Quasi-resonant"AC/DC"Converter"Built-in"1700V"SiC-MOSFET"datasheet[Z/OL].（2021-04-09）[2022-10-10]."https：//fscdn.rohm.com/en/products/

databook/datasheet/ic/power/isolated_converter/bm2sc12xfp2-lbz-e.pdf.

[2]"張文明.一種寬輸入低功耗開關電源設計[D].成都：電子科技大學，2022.

[3]"林希賢.基于SiC功率器件的寬輸入電壓范圍開關電源拓撲研究[D].西安：西安電子科技大學，2021.

[4]"蔣世全，李漢興，李峰飛，等.旋轉導向鉆井系統研究與實踐[M].北京：石油工業出版社，2015.

[5]"張朔.直流開關電源高精度檢測系統的設計與實現[D].北京：北京交通大學，2021.

[6]"彭麗莎.超低紋波開關電源設計及IGBT熱可靠性研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院近代物理研究所），2021.

[7] 梁曉峰，柴智淵，郭淳.基于UC3842的單端反激開關電源設計[J].科技創新導報，2007（34）："9-10.

[8]"劉思瑞.考慮開關電源傳導電磁干擾的測試性設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.