基于碳化硅MOSFET的全橋LLC諧振變換器設(shè)計

吳文輝，孔 銘，范自勇，李家宇，吳春歡

（易事特集團(tuán)股份有限公司，廣東 東莞 523808）

0 引 言

隨著以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料的迅猛發(fā)展，越來越多的碳化硅器件在電力電子設(shè)備中得到應(yīng)用。碳化硅MOSFET具有高耐壓、低導(dǎo)通損耗、高開關(guān)頻率以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在高壓設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

本文使用碳化硅MOSFET作為全橋LLC諧振變換器的開關(guān)管，研究了全橋LLC諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，并通過MathCAD輔助繪制其增益特性。結(jié)合碳化硅MOSFET優(yōu)點(diǎn)，提出了一種全橋LLC電路設(shè)計方法，并通過PSIM仿真驗證其有效性[1]。

1 全橋LLC諧振變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋LLC諧振變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。Q1、Q2、Q3以及 Q4為初級碳化硅 MOSFET，Lr為諧振電感，Lm為變壓器勵磁電感，Cr為諧振電容，Q5、Q6、Q7以及Q8為次級輸出的碳化硅MOSFET。LLC全橋諧振網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要就是設(shè)計變壓器變比n、諧振電容Cr、諧振電感Lr及變壓器勵磁電感Lm[2]。

根據(jù)圖1，碳化硅MOSFET的Q1、Q2、Q3以及Q4為方波發(fā)生器，作為諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入。諧振電容Cr、諧振電感Lr以及變壓器勵磁電感Lm組成了諧振網(wǎng)絡(luò)，碳化硅MOSFET的Q5、Q6、Q7以及Q8為整流網(wǎng)絡(luò)工作時需要同步整流。

當(dāng)變壓器T1勵磁電感Lm被負(fù)載箝位，Lm不參與諧振時，LLC的諧振頻率為；Lm參與諧振時，諧振頻率為[3]。假定諧振變換器的工作頻率為fs，以兩個諧振頻率點(diǎn)fr和fm為界，可以將諧振變換器的工作區(qū)域分成fs≤fm、fm≤fs≤fr以及fr＜fs。當(dāng)fs≤fm時，諧振變換器工作在容性區(qū)域，不能實現(xiàn)零電壓開關(guān)，不能有效降低管子開通關(guān)斷損耗，設(shè)計時應(yīng)該避免工作在此區(qū)域；當(dāng)fr＜fs時，諧振變換器工作在感性區(qū)域，但是變壓器次級的管子不能實現(xiàn)零電流開關(guān)，設(shè)計時應(yīng)避免工作在此區(qū)域；當(dāng)fm＜fs≤fr時，諧振變換器工作在感性區(qū)域，同時變壓器次級的管子也可實現(xiàn)零電流開關(guān)，能夠有效降低管子的開通和關(guān)斷損耗，是最適合的工作區(qū)域。此外，當(dāng)fs=fr時，諧振變換器的諧振電流波形最接近正弦波形，為效率最高點(diǎn)。

2 全橋LLC諧振變換器工作原理

設(shè)計全橋LLC諧振變換器的工作頻率區(qū)間為fm＜fs≤fr，變換器在此區(qū)間時工作在感性區(qū)域，諧振電壓相位超前諧振電流的相位。在管子開通前，體二極管已有電流流過，開關(guān)管兩端的電壓鉗位為零，實現(xiàn)零電壓開通管子。當(dāng)fm＜fs≤fr時，諧振腔工作波形如圖2所示。將其分成8個工作階段，前半工作周期和后半周期原理類似，這里只分別討論其中4個階段，其余4個階段類似。

圖2 fm＜fs≤fr時全橋LLC諧振變換器工作波形

根據(jù)圖2的工作波形，將其分成8個工作階段。在t0～t1時間段內(nèi)工作原理如圖3所示。在t0時刻，碳化硅MOSFET的Q1、Q4的UDS為零電壓，此時給Q1、Q4使能開通信號，實現(xiàn)零開通。t0～t1時間段內(nèi)諧振電流ir大于勵磁電流im，即有電流流過變壓器初級線圈，并將能量傳遞給了變壓器次級線圈。變壓器次級線圈的感應(yīng)電流流過Q5、Q8的體二極管，給電容充電，為負(fù)載供電[4]。

圖3 全橋LLC諧振變換器fm＜fs≤fr時t0～t1時間段內(nèi)工作原理

t1時刻，諧振電流ir和勵磁電流im相等，變壓器沒有向次級傳輸能量[5]。變壓器次級側(cè)的碳化硅MOSFET的Q5、Q8流過的電流自動到零，并自然關(guān)斷，實現(xiàn)零電流開關(guān)。如圖4所示，此時負(fù)載將由輸出電容提供能量支撐。變壓器的勵磁電感Lm、諧振電感Lr關(guān)斷，諧振電容Cr一起諧振，諧振頻率為fm，其周期比諧振頻率fr長，在t1～t2時間段內(nèi)，諧振電流近似為水平。在t2時刻，Q1、Q4的使能信號為零。

圖4 全橋LLC諧振變換器fm＜fs≤fr時t1～t2時間段內(nèi)工作原理

如圖5所示，碳化硅MOSFET的Q1、Q4關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)時間，Q1、Q4的UDS的電壓逐漸升高至輸入電壓，Q2、Q3的UDS電壓逐漸降低，t3時刻降低到零。此期間由于諧振電流ir小于勵磁電流im，變壓器初級側(cè)的電流改變方向，變壓器次級也感應(yīng)出電流，使Q6、Q7導(dǎo)通，給負(fù)載供電。變壓器初級側(cè)的勵磁電感Lm被鉗位，不參與諧振，此時諧振頻率恢復(fù)為fr。

圖5 全橋LLC諧振變換器fm＜fs≤fr時t2～t4時間段內(nèi)工作原理

t3時刻，碳化硅MOSFET的Q2、Q3的UDS電壓為零，為Q2、Q3使能信號實現(xiàn)零電壓開通創(chuàng)造條件。在t4時刻，Q2、Q3使能信號為零。此期間，Q2、Q3的體二極管導(dǎo)通，使Q2、Q3的UDS電壓保持為零。諧振電流ir小于勵磁電流im，ir以正弦形式繼續(xù)減小，im線性減少。變壓器次級Q6、Q7導(dǎo)通，持續(xù)給負(fù)載供電。

3 全橋LLC諧振變換器增益特性

將全橋LLC諧振變換器的輸入等效成正弦基波形式，對其工作過程進(jìn)行分析[6]。由基波分析法，全橋LLC諧振變換器等效負(fù)載阻抗為：

全橋LLC諧振腔的電壓增益為：

應(yīng)用工程計算軟件MathCAD，分別定量k=4和Q=0.35時，繪制增益曲線如圖6所示。

圖6 不同條件下的電壓增益曲線

借助MathCAD繪制的增益曲線，可以定性分析諧振器增益特性趨勢[8]。根據(jù)圖6，當(dāng)k一定時，Q越小，諧振腔的增益值M越大，且曲線更陡峭。當(dāng)Q一定時，k越小，增益值越高，且增益曲線越陡峭。增益曲線越陡峭，則得到相同的增益區(qū)間時開關(guān)頻率的變化范圍較小。諧振變換器的設(shè)計需要考慮增益范圍、開關(guān)頻率以及開關(guān)管電流，綜合考慮k和Q的取值，從而確定諧振器件參數(shù)。

4 碳化硅MOSFET優(yōu)點(diǎn)

相較于目前市面常用的硅器件，碳化硅MOSFET具有高耐壓、低阻抗以及高開關(guān)頻率等優(yōu)勢。其比硅器件有更優(yōu)異的耐壓性，易于制作高耐壓器件。高開關(guān)頻率使得磁性器件、被動器件可以更小型，設(shè)備具有更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。將高性能的碳化硅器件應(yīng)用到全橋LLC諧振變換器中，使變換器的開關(guān)頻率更高、開關(guān)損耗降低。

5 全橋LLC諧振變換器設(shè)計

通過對碳化硅MOSFET優(yōu)勢的分析和對全橋LLC變換器的研究，設(shè)計一款20 kW的碳化硅MOSFET全橋LLC諧振變換器，其額定輸入直流電壓Uin=390 V，輸入范圍320～420 V，輸出電壓480 V，功率20 kW[9]。

選定開關(guān)頻率，碳化硅MOSFET開關(guān)頻率可以在400 kHz內(nèi)，初選取諧振器的開關(guān)頻率為fs=180 kHz。

最大增益為：

最小增益為：

等效輸出負(fù)載為：

交流等效反射電阻為：

6 仿真驗證

在PSIM中，使用諧振變換器參數(shù)進(jìn)行建模仿真，模型如圖7所示。

圖7 全橋LLC諧振變換器PSIM模型

在這個模型里，通過改變開關(guān)頻率及負(fù)載狀況，直觀地仿真出各個工況[10,11]。通過仿真驗證，設(shè)計的諧振變換器滿足要求。

7 結(jié) 論

通過對全橋LLC諧振變換器工作原理、電壓增益函數(shù)進(jìn)行分析，提出一種設(shè)計諧振變換器諧振元件參數(shù)的方法。在實際應(yīng)用中，通過多次調(diào)節(jié)不同參數(shù)，對照仿真結(jié)果，能快速確定LLC諧振變換器元件參數(shù)的最佳設(shè)計方案。將LLC和具有高耐壓、耐高溫、低阻值的碳化硅器件結(jié)合應(yīng)用，能使設(shè)備具有更高的功率密度和更小的體積，未來碳化硅器件在電力設(shè)備中將得到越來越多的應(yīng)用。