基于SiC器件的全磚2 kW移相全橋高壓DC/DC變換器設(shè)計(jì)

摘要：采用SiC器件研制了一款全磚2 kW輸出的移相全橋DC/DC變換器，并運(yùn)用原邊鉗位二極管電路對(duì)輸出整流管的電壓尖峰進(jìn)行抑制。現(xiàn)首先介紹移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞墓ぷ髟砗驼鞴芗夥逡种齐娐罚S后對(duì)變換器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該變換器實(shí)現(xiàn)了功率管零壓開(kāi)關(guān)工作，原邊鉗位二極管對(duì)整流管的電壓尖峰有明顯的抑制作用，變換器最高轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，可廣泛用于高壓輸入的供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：移相全橋；DC/DC變換器；鉗位二極管；零壓開(kāi)關(guān)

中圖分類號(hào)：TM46" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）17-0035-07

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.009

0" " 引言

近年來(lái)，高壓DC/DC變換器廣泛應(yīng)用于機(jī)載供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)對(duì)DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率和功率密度的要求越來(lái)越高，為了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)功率管零電壓開(kāi)關(guān)，大大減小MOS管開(kāi)關(guān)損耗，且電路控制相對(duì)簡(jiǎn)單，初級(jí)MOS管電壓應(yīng)力低，在中高壓、中大功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。而SiC器件作為第三代半導(dǎo)體器件，相對(duì)Si基器件具有更低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗、更高的溫度和電壓耐受力，更適于高壓高效高功率密度DC/DC變換器的研制[1-5]。

本文基于SiC器件和移相全橋+同步整流軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌邪l(fā)出了一款全磚尺寸2 kW輸出的高壓DC/DC變換器。針對(duì)移相全橋變換器中整流管電壓震蕩尖峰問(wèn)題[6-8]，該變換器采用原邊鉗位二極管的方式來(lái)抑制次級(jí)輸出整流管的電壓尖峰，取得了良好效果，變換器最高轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，功率密度高達(dá)343 W/in3，效率和功率密度優(yōu)于國(guó)外同類高壓DC/DC變換器，可廣泛用于高壓輸入的供電系統(tǒng)。

1" " 移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涔ぷ髟?/p>

移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洳粌H具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方式簡(jiǎn)單、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，而且功率開(kāi)關(guān)管工作在零壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，大大減小了功率管的開(kāi)關(guān)損耗，因此移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)湓诟邏捍蠊β蕡?chǎng)合被廣泛應(yīng)用[9]。

2" " 整流管電壓震蕩及解決措施

3" " 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1" " 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款高壓輸入高效率全磚2 kW移相全橋DC/DC變換器，具體指標(biāo)如表1所示。

3.2" " 變壓器設(shè)計(jì)

3.3" " 諧振電感設(shè)計(jì)

3.4" " 輸出濾波電感設(shè)計(jì)

3.5" " 功率開(kāi)關(guān)管的選擇

3.5.1" " 初級(jí)功率MOS管

本設(shè)計(jì)采用移相全橋拓?fù)洌跫?jí)功率MOS管漏源極承受電壓為輸入電壓，本設(shè)計(jì)要求最高浪涌電壓為400 V，初級(jí)功率MOS管耐壓需要大于400 V；次級(jí)最大輸出電流峰值為85.7 A，按變壓器匝比折算到初級(jí)后電流最大值約為14.3 A。針對(duì)高壓輸入、輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)初級(jí)功率MOS管選用重慶平偉實(shí)業(yè)股份有限公司的SiC MOSFET，型號(hào)為SC030N65TK，該器件漏源耐壓650 V，最大工作電流39 A，導(dǎo)通電阻30 mΩ。針對(duì)SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)特性設(shè)計(jì)了負(fù)壓驅(qū)動(dòng)電路，保證SiC MOSFET可靠關(guān)斷。

3.5.2" " 次級(jí)同步整流管

3.6" " 輸出電容設(shè)計(jì)

4" " 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上計(jì)算和設(shè)計(jì)，研制出了一款200～375 V輸入、28 V輸出的全磚尺寸2 kW高壓DC/DC變換器，產(chǎn)品具有原邊使能控制、輸出電壓微調(diào)、輸出過(guò)壓、輸入欠壓等功能，產(chǎn)品如圖4所示。

圖5和圖6分別給出了在電路中不加原邊鉗位二極管和加原邊鉗位二極管時(shí)的次級(jí)同步整流管的電壓波形，可以看出在加入原邊鉗位二極管后，次級(jí)同步整流管的電壓尖峰震蕩得到了明顯改善，加入原邊鉗位二極管后次級(jí)同步整流管的電壓尖峰可以控制在5 V左右。

表2給出了變換器的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出該變換器主要指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7分別給出了Vin=200、270、375 V時(shí)變換器轉(zhuǎn)換效率曲線，可以看出效率曲線較為平坦，負(fù)載在20 A以上時(shí)，隨著負(fù)載增加產(chǎn)品效率變化不大，變換器低端輸入時(shí)最大效率可達(dá)97%。

從圖8、圖9可以看出，初級(jí)開(kāi)關(guān)管和次級(jí)同步整流管在漏源極電壓為零時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，初級(jí)開(kāi)關(guān)管和次級(jí)同步整流管均實(shí)現(xiàn)了零壓開(kāi)關(guān)，減小了開(kāi)關(guān)損耗。從圖10可以看出輸出，電壓穩(wěn)定，輸出紋波在180 mV左右。

從圖11可以看出，本產(chǎn)品有著較為平滑的啟動(dòng)波形，單調(diào)上升、無(wú)過(guò)沖，產(chǎn)品啟動(dòng)時(shí)間在200 ms左右。

5" " 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于SiC器件的全磚2 kW移相全橋DC/DC變換器，介紹了移相全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涔ぷ髟恚⑼瓿闪俗儞Q器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用原邊鉗位二極管電路對(duì)輸出整流管的電壓尖峰進(jìn)行抑制。隨后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該變換器主功率管實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)工作，大大減小了開(kāi)關(guān)損耗，變換器轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，具有較好的啟動(dòng)特性和較小的輸出紋波電壓。該變換器的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛用于高壓輸入、大功率輸出的供電系統(tǒng)。

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收稿日期：2024-05-20

作者簡(jiǎn)介：吳承龍（1985—），男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，主要從事開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工作。