基于碳化硅器件的DC/DC 變換器

汪琴芳

（合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息管理工程系，安徽 合肥230031）

DC/DC 變換器，是新能源電動汽車的核心部件之一，它將車載動力電池高壓轉(zhuǎn)換為直流低壓，供車載電子設(shè)備使用，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，高效、小體積、大功率DC/DC 變換器的研究越來越重要，車載動力電池的直流電壓輸出能到七百伏。同時我們國家采用三相380 伏供電，無源整流之后的電壓為500V 左右，若采用APFC 技術(shù)，得到的直流高壓將達(dá)到650 伏以上，那么后級DC/DC 變換器的輸入，就要采用耐高壓器件。傳統(tǒng)上高壓器件一般采用IGBT, 眾所周知，IGBT 的開關(guān)頻率受到嚴(yán)重的限制，一般只能30kHz 左右,這樣會導(dǎo)致變壓器電感等磁性元器件的體積偏大,無法做到轉(zhuǎn)換器的小型化。

近年來，碳化硅MOS 器件發(fā)展迅速，在高壓場合應(yīng)用越來越廣泛。碳化硅MOS 器件具有結(jié)電容小，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小等顯著優(yōu)點。其在DC/DC 變換器中的應(yīng)用值得研究。而DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊電源隨著其優(yōu)勢的凸顯，在市場上占據(jù)了一席之地。市場有需求，廠家就有競爭。雖然國外的幾大模塊電源廠家技術(shù)較為先進(jìn)，各方面性能也較為穩(wěn)定，整體水平在不斷地提升，但是不可否認(rèn)，我國國內(nèi)的整體水平還處于發(fā)展階段，模塊電源產(chǎn)品種類繁多，不同的廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品在工作頻率以及轉(zhuǎn)換效率上有所不同。但是就質(zhì)量和性能而言，還不夠與國外的產(chǎn)品相提并論，這也是我國大力發(fā)展模塊電源的國際背景和市場需求。

一款成功的模塊電源的設(shè)計，需要從各方面進(jìn)行優(yōu)化折中，對設(shè)計人員要求較高。不僅要對開關(guān)電源的基礎(chǔ)理論熟悉掌握，還要了解十分實際的使用技術(shù)，在原理設(shè)計上除了對電路拓?fù)涞墓ぷ髟硎质煜?，還要保證在滿足模塊尺寸要求的前提下，最大可能實現(xiàn)高功率密度和高效率的要求。

1 高壓輸入，低壓大電流輸出的高效率的電路拓?fù)湟约疤蓟鐼OS 管的驅(qū)動方法及驅(qū)動電路組成

主電路原邊拓?fù)洳捎萌珮蜃儞Q器，副邊拓?fù)洳捎萌ㄕ麟娐?。變換器采用移相控制方式，可以實現(xiàn)原邊主開關(guān)管零電壓開通，從而減小開關(guān)管的開關(guān)損耗。同時，為了抑制和消除副邊整流管兩端因諧振電感和整流管結(jié)電容諧振所引起的電壓尖峰和振蕩，全橋變換器中加入了箝位二極管，并引入電流互感器復(fù)位電路來加快箝位二極管的電流復(fù)位速度，從而避免輕載時，箝位二極管因硬關(guān)斷而損壞，進(jìn)而提高變換器的可靠性。碳化硅專用驅(qū)動芯片還不常見，即使有也因其性能有限、價格不菲而較少使用，實際使用場合也出現(xiàn)各種方法和電路，如采用常規(guī)的驅(qū)動芯片加上外圍電路形成一個負(fù)偏壓的驅(qū)動單元，但在啟動過程或保護(hù)重啟后或多或少有一些問題。本項目擬采用隔離變壓器加上二極管、穩(wěn)壓二極管、電容、電阻等簡單的器件作為驅(qū)動單元，利用變壓器交變輸出的特性，確保碳化硅MOS 管G極的負(fù)壓。

如圖1 所示，QA、QB、QC、QD 為全橋原邊主開關(guān)管；Lr 為諧振電感，作用為實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通；主變壓器T1 通過磁路傳遞能量至輸出側(cè)，同時實現(xiàn)了輸入與輸出側(cè)電 壓隔離，輸出電壓由原邊與副邊線圈匝比確定；D1、D2 為箝位二極管，消除寄生參數(shù)引起的電壓尖峰和振蕩，高壓輸入，低壓大電流輸出的高效率的電路拓?fù)?，從而保證電源模塊具有高的變換效率。

圖1 全橋移相變換器

電感電流波形比較：

2 模塊電源內(nèi)變壓器、電感等磁性元件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

研究模塊電源內(nèi)變壓器、電感等磁性元件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，從而可以盡量減小模塊電源的體積，進(jìn)而提高變換器的功率密度，主變壓器擬采用多個平面變壓器模塊原邊串聯(lián)，副邊并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)各平面變壓器模塊原邊繞組自動均壓，副邊各路輸出自動均分負(fù)載電流，有利于降低各平面變壓器模塊的電流應(yīng)力與熱應(yīng)力。由于各變壓器模塊采用的是平面磁芯，因而電源模塊的高度可以得到降低。

圖2 為多變壓器串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)，變壓器T1、T2…Tn，原邊繞組串聯(lián)，副邊繞組采用全 波整流輸出，通過輸出電感L1、L2…Ln 后并聯(lián)運行。采用此方式，減小單個變壓器的轉(zhuǎn)換功率和原、副邊線圈匝比，降低變壓器體積，從而減低變換器模塊的整體高度。主變壓器的原副邊繞組采用交錯布置的方法。該方法有利用降低主變壓器的漏感，從而有利于提高變換器的效率。除此之外，減小主變壓器的漏感還有利于消除或減弱由于漏感與副邊整流管諧振所引起整流管兩端的電壓尖峰與振蕩，從而可以減小副邊整流管的電壓應(yīng)力。

圖2 多變壓器串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)

變壓器原邊電壓比較

模塊電源內(nèi)變壓器繞組的優(yōu)化布置方法，從而可以減小變壓器漏感，提高變換器的整體性能，變換器副邊采用全波同步整流方式。在該方式下，同步整流管的導(dǎo)通損耗明顯低于采用二極管整流時副邊二極管的導(dǎo)通損耗，從而有利于提高變換器的整機(jī)效率。如：快恢復(fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）可達(dá)1.0～1.2V，即使采用低壓降 的肖特基二極管（SBD），也會產(chǎn)生大約0.6V 的壓降，這就導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。而通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，其導(dǎo)通電阻只有3～6 mΩ，IR 公司生產(chǎn)的IRL3803S（30V／100A）型功率MOSFET 和IXYS 公司生產(chǎn)的IXFH280N07（70V/280A）型功率MOSFET，它們的通態(tài)電阻分別為6mΩ 和5mΩ，采用并聯(lián)技術(shù)來取代整流二極管時，其通態(tài)壓降可低至0.3V，從而降低整流損耗，提高效率。

圖3 平面變壓器設(shè)計工藝

3 直流變換器的并聯(lián)均流技術(shù)，使電源模塊具有并聯(lián)自主均流功能

DC/DC 變換器采用最大電流均流法。通過檢測各并聯(lián)模塊的輸出電流信號，得到輸出電流最大模塊的輸出電流信號，并將其作為其他各模塊的均流環(huán)基準(zhǔn)。該均流環(huán)基準(zhǔn)信號分別與各模塊的輸出電流信號比較、放大，產(chǎn)生誤差信號，直接加至各模塊的電壓基準(zhǔn)中，通過微調(diào)各模塊的輸出電壓，從而實現(xiàn)各模塊均流輸出。

如圖4 所示，采集所得的電流信號，通過二極管傳輸至均流母線作為模塊自動均流的控制信號，經(jīng)差分放大器處理后作用于控制環(huán)路給定信號，實現(xiàn)控制環(huán)路調(diào)節(jié)，從而達(dá)到多模塊并聯(lián)運行的均流功能。

圖4 均流電路示意圖

4 結(jié)論

制作高壓大功率DC/DC 變換波器一臺。其主要指標(biāo)為：①輸入電壓：500VDC(變動范圍400～700VDC)；②輸出電壓：28VDC；③輸出電流：100A；④效率：≥94%；⑤體積：＜220mm (長)×160mm（寬）×60mm（高）。