超高頻DC-DC諧振變換器

鄒學(xué)文，董 舟，周 嫄，張之梁

（南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211106）

超高頻DC-DC諧振變換器

鄒學(xué)文，董 舟，周 嫄，張之梁

（南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211106）

電力電子的應(yīng)用要求功率變換器具有更小的體積、更高的功率密度以及更好的動(dòng)態(tài)性能，這一要求使得高頻化成為電力電子發(fā)展的必然趨勢(shì)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)超高頻VHF（very high frequency）（30～300 MHz）DC-DC諧振變換器的主電路拓?fù)洹⒅C振驅(qū)動(dòng)電路、控制方法分別進(jìn)行了介紹。

超高頻；DC-DC；諧振變換器；諧振驅(qū)動(dòng)；控制

隨著科技的進(jìn)步，無(wú)論是民用還是軍用場(chǎng)合都對(duì)功率變換器的小型化、高效率以及高可靠性提出了新的要求。通過(guò)把功率變換器頻率推向MHz以上來(lái)減小變換器中無(wú)源元件（電容及磁件）的體積，實(shí)現(xiàn)變換器的小型化，成為未來(lái)電力電子發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。與此同時(shí)，新的開(kāi)關(guān)器件與磁性材料的研發(fā)也使得功率變換器的小型化成為可能。

現(xiàn)代電力電子應(yīng)用要求功率變換器具有更高的效率和功率密度以及更好的動(dòng)態(tài)性能。提高頻率能夠有效減少電容和磁性元件的儲(chǔ)能要求，提升電路動(dòng)態(tài)性能，減小變換器體積和重量，提高變換器的功率密度。高頻化已成為電力電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，超高頻VHF（very high frequency）（30～300 MHz）功率變換技術(shù)有望給功率系統(tǒng)的功率密度和綜合性能帶來(lái)質(zhì)的提升，同時(shí)也帶來(lái)了很多新的具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

1 超高頻諧振變換器的研究背景

開(kāi)關(guān)頻率的增加降低了對(duì)電路儲(chǔ)能的要求，減小了變換器中儲(chǔ)能元件的體積，提高了功率變換器的功率密度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度?；谏鲜隼碚摚I(yè)界已經(jīng)逐步將一些變換器的開(kāi)關(guān)頻率提高到數(shù)兆赫茲，期望在獲得高效率的同時(shí)保證變換器較高的功率密度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。如美國(guó)麻省理工的FINsix團(tuán)隊(duì)研發(fā)的筆記本電源適配器Dart，采用超高頻諧振功率變換技術(shù)，效率高，轉(zhuǎn)換速率快，是目前世界上采用超高頻功率變換技術(shù)最成熟的商用產(chǎn)品，其輸出功率高達(dá)65 W，體積只有多數(shù)適配器的1/4，接近手機(jī)充電器，重量降至普通適配器的1/6，僅有60 g［1］。Dart電源適配器的成功研發(fā)，證明了高頻化技術(shù)的市場(chǎng)價(jià)值，也意味著功率變換器高頻化技術(shù)有廣闊的發(fā)展空間。

目前，高頻諧振變換技術(shù)的研究尚處于起步階段，美國(guó)麻省理工的D.Perreault和丹麥技術(shù)大學(xué)的M.Andersen在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，近年來(lái)多篇相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)高頻諧振功率系統(tǒng)的電路拓?fù)洹⒃O(shè)計(jì)方法、驅(qū)動(dòng)電路、控制方式和性能優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究?，F(xiàn)階段變換器的開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)提高到數(shù)十MHz甚至上百M(fèi)Hz，極大地減小了電感和電容的體積，實(shí)現(xiàn)了超高的功率密度和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［2-3］。與傳統(tǒng)變換器拓?fù)湎啾?，諧振型變換器能夠?qū)崿F(xiàn)控制管的零電壓開(kāi)通ZVS（zero voltage switching）及同步整流管的零電流關(guān)斷ZCS（zero current switching），從而極大地減小了高頻場(chǎng)合下變換器的開(kāi)關(guān)損耗［4-5］。另一方面，這種諧振型變換器能夠有效吸收寄生參數(shù)（如開(kāi)關(guān)管的寄生電容等），從而減小了寄生參數(shù)對(duì)電路工作狀態(tài)的影響［6］。

現(xiàn)階段絕大部分MHz DC-DC諧振變換器的研究是針對(duì)非隔離拓?fù)涞腂oost型諧振變換器［7,8］及SEPIC型諧振變換器［9］，均在數(shù)MHz開(kāi)關(guān)頻率條件下工作，在獲得較高變換器效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較高的功率密度和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。但為保證系統(tǒng)安全可靠，在很多應(yīng)用場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)變換器的電氣隔離，這一需求使得VHF隔離型諧振變換器的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。在VHF隔離型諧振變換器的研究中，變壓器的設(shè)計(jì)是難點(diǎn)。目前，VHF變壓器主要有采用磁芯和不采用磁芯兩種設(shè)計(jì)思路。Ferroxcube公司的4F1材質(zhì)的鎳鋅鐵氧體是目前工作頻率最高的變壓器磁芯材料，其最高工作頻率能夠達(dá)到15 MHz。在采用磁芯的VHF變壓器中，通常會(huì)選擇4F1材質(zhì)的鐵氧體作為變壓器的磁芯，如文獻(xiàn)［10］的VHF Push-pull DC-DC諧振變換器，其開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到30 MHz，額定負(fù)載條件下變換器最高效率達(dá)到73.4%。隨著變換器開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，現(xiàn)有的磁芯材料不再適用，所以一些文獻(xiàn)嘗試把空心變壓器運(yùn)用到高頻諧振變換器中，如文獻(xiàn)［11］中提出的75 MHz反激諧振變換器，其變壓器漏感能夠被諧振電感吸收，變換器最高效率可達(dá)到75%。

2 VHF DC-DC諧振變換器電路拓?fù)涓攀?/h2>

2.1 VHF DC-DC諧振變換器

圖1所示為VHF DC-DC諧振變換器系統(tǒng)框圖。它主要由前級(jí)逆變器、中間級(jí)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、后級(jí)整流器及控制單元4部分構(gòu)成。逆變器的主要功能是把輸入電壓轉(zhuǎn)換為帶直流偏置的交流電壓，其交流電壓的頻率與開(kāi)關(guān)頻率一致；通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)整逆變器輸出電壓或電流的幅值，使得輸入整流器的電壓或電流滿足后級(jí)電路對(duì)輸出功率的要求；最后經(jīng)整流器整流，得到滿足設(shè)計(jì)要求的輸出電壓和輸出電流。圖1中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為非必要環(huán)節(jié)，當(dāng)逆變環(huán)節(jié)產(chǎn)生的輸出電壓或電流能夠直接滿足整流環(huán)節(jié)的要求時(shí)，可以將阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)移除；當(dāng)電路需要實(shí)現(xiàn)隔離時(shí)，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可用變壓器代替。

圖1 VHF DC-DC變換器系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the VHF DC-DC converter system

2.2 逆變器

逆變電路作為VHF DC-DC諧振變換器的重要組成部分，其主要功能是把輸入電壓轉(zhuǎn)換為頻率與開(kāi)關(guān)頻率一致的交流電壓。由于高頻DC-DC諧振變換器的特殊性，所以其逆變電路需滿足：①能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS；②能夠吸收電路中的寄生參數(shù)。目前，在VHF DC-DC諧振變換器中應(yīng)用最廣泛的是Class-E型逆變器和Class-Φ2型逆變器。

1）Class-E型逆變器

圖2所示為Class-E型逆變器，它由E類射頻放大器衍變而來(lái)［12］。其開(kāi)關(guān)管在固定開(kāi)關(guān)頻率及固定占空比條件下工作，開(kāi)關(guān)管漏源極寄生電容能夠被諧振電容CF吸收，從而減小了寄生電容對(duì)電路工作狀態(tài)的影響。電感LF與電容CF發(fā)生諧振，每次開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前CF兩端電壓都能自然諧振到0，此時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管Sctrl，能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)通，從而減小了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗。盡管Class-E型逆變器具有上述優(yōu)點(diǎn)，但其開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力較大，一般會(huì)達(dá)到輸入電壓的4倍，從而限制了變換器效率的進(jìn)一步提升，因此Class-Φ2型逆變器隨之被提出。

圖2 Class-E型逆變器Fig.2 Class-E inverter

2）Class-Φ2型逆變器

圖3所示為Class-Φ2型逆變器，它由Class-E型逆變器衍變得到，在Class-E型逆變器的基礎(chǔ)上在開(kāi)關(guān)管兩端并入一個(gè)LM、CM支路。LM和CM在2倍開(kāi)關(guān)頻率處諧振，為2次諧波提供低通回路，從而降低了開(kāi)關(guān)管兩端電壓應(yīng)力［13-14］。此時(shí)開(kāi)關(guān)管DS兩端電壓主要包括基波和3次諧波，與Class-E型逆變器相比其開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力明顯降低，一般約為輸入電壓的2倍。此外，在Class-Φ2型逆變器中開(kāi)關(guān)DS端的寄生電容同樣能被外并電容CF吸收，ClassΦ2型逆變器同樣能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS。盡管與Class-E型逆變器相比Class-Φ2型逆變器中的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力降低很多，但是LM、CM支路的引入，在增加變換器的體積與成本的同時(shí)，增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖3 Class-Φ2型逆變器Fig.3 Class-Φ2inverter

由于上述兩種逆變器各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)高頻諧振變換器時(shí)往往會(huì)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求選擇不同的逆變單元，因此這兩種逆變器在高頻諧振電路中都有廣泛的應(yīng)用。

2.3 整流器

在VHF DC-DC諧振變換器中，整流器的作用是把前級(jí)傳遞過(guò)來(lái)的交流電壓或電流轉(zhuǎn)換成直流，使負(fù)載端的輸出電壓和輸出電流滿足設(shè)計(jì)要求。如圖4所示為Class E整流器，圖4（a）和圖4（b）分別為電壓型Class E諧振整流器和電流型Class E諧振整流器［15］。整流二極管的寄生電容均能被諧振容Cr吸收，從而減小了寄生參數(shù)對(duì)電路工作狀態(tài)的影響。這兩種整流器中整流管均能夠?qū)崿F(xiàn)ZCS，從而減小了整流管的關(guān)斷損耗。Class E整流器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于分析的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于VHF諧振變換器中［16-17］。文獻(xiàn)［1］對(duì)應(yīng)用于VHF諧振變換器的電壓源型整流器與電流源型整流器進(jìn)行了比較與分析。與電流源型諧振整流器相比，采用電壓源型諧振整流器使得VHF諧振變換器的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化，減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)嘗試的過(guò)程。

圖4 Class E整流器Fig.4 Class E rectifier

2.4 幾類常見(jiàn)的VHF諧振變換器

圖5所示為VHF Boost諧振變換器拓?fù)洌汕凹?jí)Class-Φ2型逆變器及后級(jí)電壓驅(qū)動(dòng)型Class E整流器構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的ZVS及同步整流管ZCS，且主開(kāi)關(guān)管漏源極的寄生電容及整流二極管的寄生電容分別被CF及Cr吸收，LM及CM在2倍開(kāi)關(guān)頻率處諧振，為2次諧波提供低通回路，以此減小主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。上述VHF Boost諧振變換器的一個(gè)缺點(diǎn)是它只能夠?qū)崿F(xiàn)升壓不能實(shí)現(xiàn)降壓，因此圖6所示VHF SEPIC諧振變換器隨之被提出。圖7為VHF SEPIC諧振變換器組成單元示意，該變換器由前級(jí)Class E逆變器、中間級(jí)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及后級(jí)電流源型Class E整流器構(gòu)成，其中圖6中電感LR被拆分成LR1和LR2，中間級(jí)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使得該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓。

圖5 VHF Boost諧振變換器Fig.5 HF Boost resonant converter

圖6 VHF SEPIC諧振變換器Fig.6 VHF SEPIC resonant converter

圖7 VHF SEPIC諧振變換器等效電路Fig.7 Equivalent circuit of the VHF SEPIC resonant converter

為保證系統(tǒng)的安全可靠，某些應(yīng)用場(chǎng)合下需要實(shí)現(xiàn)變換器的功率隔離，因此提出了VHF隔離型Class-Φ2諧振變換器及VHF反激諧振變換器，其電路拓?fù)浞謩e如圖8和圖9所示。上述隔離型Class-Φ2諧振變換器及反激諧振變換器均能由圖5所示Boost諧振變換器衍變得到。把變壓器作為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)加入到Boost諧振變換器的逆變單元及整流單元之間，就構(gòu)成了圖8的隔離型Class-Φ2諧振變換器拓?fù)?，該拓?fù)渲性谀孀儐卧妮敵龆思尤肓艘粋€(gè)串聯(lián)隔直電容Cs，以保證變壓器的磁勢(shì)平衡，且該變壓器漏感能夠被諧振電感L吸收。圖5中，若在諧振電感LF后加入變壓器，在變壓器副邊側(cè)實(shí)現(xiàn)整流，即可構(gòu)成圖9的VHF反激諧振變換器。

上述Boost諧振變換器、SEPIC諧振變換器、隔離型Class-Φ2諧振變換器及反激諧振變換器是目前VHF場(chǎng)合最常見(jiàn)的變換器拓?fù)?；均能?shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，且能有效吸收寄生參數(shù)。其他一些VHF諧振變換器拓?fù)渚捎缮鲜?類變換器衍變得到，如文獻(xiàn)［10，18］中的VHF Push-pull諧振變換器。

圖8 VHF隔離型Class-Φ2諧振變換器Fig.8 VHF isolated Class-Φ2resonant converter

圖9 VHF反激諧振變換器Fig.9 VHF Flyback resonant converter

3 超高頻諧振驅(qū)動(dòng)電路

在VHF諧振電路中，器件的驅(qū)動(dòng)損耗會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率的上升而增加。為減小驅(qū)動(dòng)損耗，在VHF電路中往往采用諧振驅(qū)動(dòng)電路［19-21］，目前常用的有正弦諧振驅(qū)動(dòng)電路和梯形諧振驅(qū)動(dòng)電路兩種。

3.1 正弦諧振驅(qū)動(dòng)電路

圖10所示的正弦諧振驅(qū)動(dòng)電路，是在VHF電路中使用較多的諧振驅(qū)動(dòng)電路［22-24］。該諧振電路共分為4級(jí)，驅(qū)動(dòng)電路第1部分是一個(gè)遲滯振蕩器，通常采用振蕩芯片生成一個(gè)頻率與開(kāi)關(guān)頻率一致的方波；驅(qū)動(dòng)電路的第2部分由多個(gè)反相器并聯(lián)構(gòu)成，增強(qiáng)了電路的驅(qū)動(dòng)能力，減小了CMOS的等效導(dǎo)通電阻；驅(qū)動(dòng)電路第3部分為諧振驅(qū)動(dòng)回路，該電路在基本諧振驅(qū)動(dòng)電路中增加了一個(gè)分支，當(dāng)滯環(huán)控制信號(hào)vctrl為低電平時(shí)，該分支電路能夠?qū)⒅鏖_(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓鉗位到0，防止開(kāi)關(guān)管發(fā)生誤導(dǎo)通；當(dāng)vctrl為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路正常工作。這種諧振驅(qū)動(dòng)電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：每一次主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，都有部分的能量?jī)?chǔ)存在支路Lg、Cg及諧振電感Ld中，從而減小了開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)損耗；此外，諧振支路Lg、Cg的存在能夠?qū)︱?qū)動(dòng)電壓的幅值進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，使得正弦驅(qū)動(dòng)電壓的幅值能夠落在6～8 V的范圍內(nèi)，從而保證主開(kāi)關(guān)管能夠取得較小的導(dǎo)通電阻，減小其導(dǎo)通損耗。盡管如此，正弦諧振驅(qū)動(dòng)還是存在如下的缺點(diǎn)：①正弦諧振驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓會(huì)造成額外的非必要損耗；②正弦驅(qū)動(dòng)電壓上升和下降速度緩慢，使得一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管的平均通態(tài)電阻較大。為了解決正弦諧振驅(qū)動(dòng)的上述問(wèn)題，梯形諧振驅(qū)動(dòng)隨之被提出。

圖10 正弦諧振驅(qū)動(dòng)電路Fig.10 Sinusoidal resonant drive

3.2 梯形諧振驅(qū)動(dòng)電路

圖11所示為梯形諧振驅(qū)動(dòng)電路。該電路本質(zhì)上是一個(gè)Class-Φ2型逆變器，其在開(kāi)關(guān)管兩端產(chǎn)生一個(gè)近似梯形波，如圖12所示，用于驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)管。與正弦諧振驅(qū)動(dòng)相比，梯形諧振驅(qū)動(dòng)電壓波形沒(méi)有負(fù)壓，從而減小了由負(fù)壓引起的非必要的驅(qū)動(dòng)損耗；另一方面，與正弦諧振驅(qū)動(dòng)相比，圖12中電壓上升和下降速度都有了明顯改善，從而減小了一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管的平均通態(tài)電阻。因此，該諧振驅(qū)動(dòng)電路在VHF電路中被廣泛使用［25-26］。

在圖11的梯形諧振驅(qū)動(dòng)電路中，Vdrive是一個(gè)由控制信號(hào)所決定的高低電平。當(dāng)Vdrive為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)諧振網(wǎng)絡(luò)停止工作，主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓為0 V；當(dāng)Vdrive由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，通過(guò)電感Ls觸發(fā)自激諧振網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)管，使得諧振驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。自激諧振網(wǎng)絡(luò)作為輔助開(kāi)關(guān)管QAUX的驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)管。通過(guò)自激諧振網(wǎng)絡(luò)把輔助開(kāi)關(guān)管漏源極電壓的基波提取出來(lái)，并且實(shí)現(xiàn)180°的相移，保證輔助開(kāi)關(guān)管能夠在固定開(kāi)關(guān)頻率條件下工作，從而產(chǎn)生固定開(kāi)關(guān)頻率、固定占空比的梯形波諧振驅(qū)動(dòng)電壓。

圖11 梯形諧振驅(qū)動(dòng)電路Fig.11 Trapezoidal resonant drive

圖12 梯形諧振驅(qū)動(dòng)波形Fig.12 Voltage waveform of the trapezoidal resonant drive

4 VHF變換器的控制方法

4.1 滯環(huán)控制

由于VHF變換器采用諧振驅(qū)動(dòng)，且其開(kāi)關(guān)周期很短（一般為ns級(jí)），所以傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制和脈沖頻率調(diào)制PFM（pulse frequency modulation）很難實(shí)現(xiàn)。另外，由于諧振變換器的工作特性，其他常用的控制方法，如變頻控制或移相控制，也很難保證開(kāi)關(guān)管在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，無(wú)法保證變換器的高效率［27-29］。

目前在VHF DC-DC變換器中大多采用的控制方法是滯環(huán)控制［23、30］，其結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。采用滯環(huán)控制電路的主要電壓波形如圖14所示。圖中，在t0時(shí)刻，輸出電壓下降到其下限值，vctrl翻轉(zhuǎn)為高電平，控制變換器開(kāi)通，輸出電壓上升；在t1時(shí)刻，輸出電壓達(dá)到其上限，vctrl變?yōu)榈碗娖?，變換器關(guān)斷，通過(guò)輸出電容放電向負(fù)載提供能量，直至輸出電壓再次降到其下限，滯環(huán)寬度即是輸出紋波的大小。驅(qū)動(dòng)電壓vgs在固定頻率及固定占空比條件下工作，變換器的工作頻率和占空比不受控制電路的影響，保持恒定，這極大地簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，而輸出功率的大小由滯環(huán)控制的占空比決定，同時(shí)該控制方法的響應(yīng)速度快，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由圖14可知，變換器的調(diào)節(jié)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其開(kāi)關(guān)頻率。

圖13 滯環(huán)控制電路Fig.13 Hysteresis control

圖14 滯環(huán)控制電路主要電壓波形Fig.14 Key voltage waveforms of the hysteresis control

5 超高頻DC-DC變換器的發(fā)展趨勢(shì)

開(kāi)關(guān)頻率的增加直接降低了對(duì)功率變換器件的儲(chǔ)能要求，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并且在理論上實(shí)現(xiàn)了無(wú)源元件的小型化，從而提升了系統(tǒng)的功率密度。VHF功率變換系統(tǒng)可以極大地減小電容和電感的體積，實(shí)現(xiàn)超高功率密度，滿足高性能要求，因而成為功率芯片下一步的發(fā)展方向。另外，VHF功率變換器研究的最主要的目的是減小變換器體積與重量，而采用平面變壓器、平面空心電感能夠減小變換器的高度，可進(jìn)一步減小變換器的體積與重量，所以扁平化將成為超高頻DC-DC變換器發(fā)展的一大趨勢(shì)。目前，PCB空心電感已經(jīng)在一些VHF諧振變換器中得到應(yīng)用［5、31］，文獻(xiàn)［5］中把PCB空心電感應(yīng)用于圖6的VHF SEPIC諧振電路中，在開(kāi)關(guān)頻率51 MHz時(shí)，該變換器的功率密度高達(dá)146 W/inch3,效率達(dá)到80%。此外，在VHF隔離型諧振變換器中，可以通過(guò)變壓器的合理設(shè)計(jì)使得變壓器的漏感或者激磁電感能夠完全替代VHF隔離變換器中的諧振電感，從而進(jìn)一步減小變壓器的體積與重量。所以，變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為VHF隔離型諧振變換器的研究重點(diǎn)。

基于第3代半導(dǎo)體材料的寬禁帶半導(dǎo)體器件的推出，進(jìn)一步推動(dòng)了VHF功率變換器的發(fā)展。作為寬禁帶半導(dǎo)體器件的典型代表，氮化鎵GaN（gallium nitride）器件具有極小的導(dǎo)通電阻和寄生電容、更快的開(kāi)關(guān)速度［32-33］，與同等條件下的硅器件相比其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗大大降低。所以，把GaN器件運(yùn)用到VHF電路中，將會(huì)成為VHF功率變換器發(fā)展的又一大趨勢(shì)［34-36］。盡管GaN器件具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其在VHF電路中的使用還存在很多有待解決的問(wèn)題。與傳統(tǒng)硅器件不同，GaN器件沒(méi)有反偏二極管，在未加驅(qū)動(dòng)電壓、電流反向流過(guò)GaN晶體管時(shí)，需要依靠反向?qū)C(jī)制使得電流導(dǎo)通，由此引起的反向?qū)▔航禃?huì)很高，大約是常見(jiàn)硅MOSFET反偏二極管導(dǎo)通電壓的2倍，反向?qū)〒p耗很大［37］。另外氮化鎵器件對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路具有嚴(yán)格的要求：以EPC2001的管子為例，其驅(qū)動(dòng)電壓最大不超過(guò)6 V，最小不低于-5 V，而一般驅(qū)動(dòng)GaN的電壓在5 V左右，所以要求驅(qū)動(dòng)電壓的振蕩幅值不能超高1 V；此外，GaN器件的開(kāi)啟電壓比較低（如EPC2001的開(kāi)啟電壓只有1.4 V），而其開(kāi)關(guān)速度又極快，所以要注意防止dv/dt過(guò)大造成的誤導(dǎo)通情況發(fā)生。把GaN器件運(yùn)用到VHF功率變換器中，是VHF功率變化器發(fā)展的又一大趨勢(shì)，但如何進(jìn)行GaN器件的可靠驅(qū)動(dòng)，以及如何減小GaN器件反向?qū)C(jī)制引起的反向?qū)〒p耗，是GaN器件運(yùn)用到VHF功率變換器中必須解決的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

高頻化、高功率密度已成為電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，VHF諧振變換器的研究有望給功率變換系統(tǒng)的功率密度和綜合性能帶來(lái)質(zhì)的提升，但同時(shí)也帶來(lái)了很多新的具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。多種射頻功率放大器及整流器的發(fā)展，奠定了VHF功率變換器電路拓?fù)涞幕?，使得VHF功率變換器能夠在吸收電路寄生參數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)。本文分析了VHF諧振變換器的研究現(xiàn)狀，分別對(duì)幾種常見(jiàn)的VHF諧振變換器拓?fù)浼捌渲C振驅(qū)動(dòng)電路和滯環(huán)控制進(jìn)行了介紹。隨著VHF技術(shù)的發(fā)展，VHF諧振變換器將趨于扁平化、集成化，以進(jìn)一步提高變換器的功率密度。此外寬禁帶半導(dǎo)體器件（如GaN）的應(yīng)用使得VHF諧振變換器的效率得到進(jìn)一步提升，因此寬禁帶半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用將成為VHF諧振變換器發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)。

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Very High Frequency DC-DC Resonant Converter

ZOU Xuewen,DONG Zhou,ZHOU Yuan,ZHANG Zhiliang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Areo-Power Sci-tech Center,Nanjing 211106,China）

The application of the power electronics requires the smaller size,higher power density and better dynamic performance of the power converters.It makes the very high frequency（VHF）（30～300MHz）converters to be the evitable trend of the development of the power electronics.Combined with the present research status,the topology, resonant drive and control strategy of the VHF DC-DC converter are introduced.

very high frequency;DC-DC;resonant converter;resonant drive;control

鄒學(xué)文

鄒學(xué)文（1990-），男，碩士研究生，研究方向：超高頻諧振變換器，E-mail：zou xuewen@nuaa.edu.cn。

董舟（1991-），男，碩士研究生，研究方向：超高頻諧振變換器，E-mail：bigzhou @nuaa.edu.cn。

周嫄（1991-），女，碩士研究生，研究方向：超高頻諧振變換器，E-mail：zoezy@ nuaa.edu.cn。

張之梁（1979-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：超高頻諧振變換器、電流源驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電力電子數(shù)字控制和電池管理系統(tǒng)，E-mail：zlzhang@nuaa.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.138

：TM464

：A

2015-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377077）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51377077）