基于碳化硅MOSFET的全橋LLC諧振變換器設計

吳文輝，孔 銘，范自勇，李家宇，吳春歡

（易事特集團股份有限公司，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體材料的迅猛發展，越來越多的碳化硅器件在電力電子設備中得到應用。碳化硅MOSFET具有高耐壓、低導通損耗、高開關頻率以及耐高溫等優點，在高壓設備中得到了廣泛應用。

本文使用碳化硅MOSFET作為全橋LLC諧振變換器的開關管，研究了全橋LLC諧振電路的拓撲結構和工作原理，并通過MathCAD輔助繪制其增益特性。結合碳化硅MOSFET優點，提出了一種全橋LLC電路設計方法，并通過PSIM仿真驗證其有效性[1]。

1 全橋LLC諧振變換器電路拓撲結構

全橋LLC諧振變換器電路拓撲結構如圖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全橋諧振網絡的設計主要就是設計變壓器變比n、諧振電容Cr、諧振電感Lr及變壓器勵磁電感Lm[2]。

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

當變壓器T1勵磁電感Lm被負載箝位，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fr和fm為界，可以將諧振變換器的工作區域分成fs≤fm、fm≤fs≤fr以及fr＜fs。當fs≤fm時，諧振變換器工作在容性區域，不能實現零電壓開關，不能有效降低管子開通關斷損耗，設計時應該避免工作在此區域；當fr＜fs時，諧振變換器工作在感性區域，但是變壓器次級的管子不能實現零電流開關，設計時應避免工作在此區域；當fm＜fs≤fr時，諧振變換器工作在感性區域，同時變壓器次級的管子也可實現零電流開關，能夠有效降低管子的開通和關斷損耗，是最適合的工作區域。此外，當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。

2 全橋LLC諧振變換器工作原理

設計全橋LLC諧振變換器的工作頻率區間為fm＜fs≤fr，變換器在此區間時工作在感性區域，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，開關管兩端的電壓鉗位為零，實現零電壓開通管子。當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

根據圖2的工作波形，將其分成8個工作階段。在t0～t1時間段內工作原理如圖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，實現零開通。t0～t1時間段內諧振電流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電流流過Q5、Q8的體二極管，給電容充電，為負載供電[4]。

圖3 全橋LLC諧振變換器fm＜fs≤fr時t0～t1時間段內工作原理

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]。變壓器次級側的碳化硅MOSFET的Q5、Q8流過的電流自動到零，并自然關斷，實現零電流開關。如圖4所示，此時負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，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時間段內工作原理

如圖5所示，碳化硅MOSFET的Q1、Q4關斷，進入死區時間，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，變壓器初級側的電流改變方向，變壓器次級也感應出電流，使Q6、Q7導通，給負載供電。變壓器初級側的勵磁電感Lm被鉗位，不參與諧振，此時諧振頻率恢復為fr。

圖5 全橋LLC諧振變換器fm＜fs≤fr時t2～t4時間段內工作原理

t3時刻，碳化硅MOSFET的Q2、Q3的UDS電壓為零，為Q2、Q3使能信號實現零電壓開通創造條件。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以正弦形式繼續減小，im線性減少。變壓器次級Q6、Q7導通，持續給負載供電。

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，對其工作過程進行分析[6]。由基波分析法，全橋LLC諧振變換器等效負載阻抗為：

全橋LLC諧振腔的電壓增益為：

應用工程計算軟件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]。根據圖6，當k一定時，Q越小，諧振腔的增益值M越大，且曲線更陡峭。當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間時開關頻率的變化范圍較小。諧振變換器的設計需要考慮增益范圍、開關頻率以及開關管電流，綜合考慮k和Q的取值，從而確定諧振器件參數。

4 碳化硅MOSFET優點

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

5 全橋LLC諧振變換器設計

通過對碳化硅MOSFET優勢的分析和對全橋LLC變換器的研究，設計一款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]。

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

最大增益為：

最小增益為：

等效輸出負載為：

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進行建模仿真，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，通過改變開關頻率及負載狀況，直觀地仿真出各個工況[10,11]。通過仿真驗證，設計的諧振變換器滿足要求。

7 結 論

通過對全橋LLC諧振變換器工作原理、電壓增益函數進行分析，提出一種設計諧振變換器諧振元件參數的方法。在實際應用中，通過多次調節不同參數，對照仿真結果，能快速確定LLC諧振變換器元件參數的最佳設計方案。將LLC和具有高耐壓、耐高溫、低阻值的碳化硅器件結合應用，能使設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備中將得到越來越多的應用。