基于SiC器件的全磚2 kW移相全橋高壓DC/DC變換器設計

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，并運用原邊鉗位二極管電路對輸出整流管的電壓尖峰進行抑制。現首先介紹移相全橋軟開關拓撲的工作原理和整流管尖峰抑制電路，隨后對變換器的關鍵參數進行設計，并給出了實驗結果。實驗結果表明：該變換器實現了功率管零壓開關工作，原邊鉗位二極管對整流管的電壓尖峰有明顯的抑制作用，變換器最高轉換效率高達97%，可廣泛用于高壓輸入的供電系統。

關鍵詞：移相全橋；DC/DC變換器；鉗位二極管；零壓開關

中圖分類號：TM46" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0035-07

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

0" " 引言

近年來，高壓DC/DC變換器廣泛應用于機載供電系統，供電系統對DC/DC變換器的轉換效率和功率密度的要求越來越高，為了進一步提高開關電源的轉換效率和功率密度，軟開關技術得到了迅速發展。移相全橋軟開關拓撲可以實現功率管零電壓開關，大大減小MOS管開關損耗，且電路控制相對簡單，初級MOS管電壓應力低，在中高壓、中大功率場合得到了廣泛的應用。而SiC器件作為第三代半導體器件，相對Si基器件具有更低的導通和開關損耗、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+同步整流軟開關拓撲，研發出了一款全磚尺寸2 kW輸出的高壓DC/DC變換器。針對移相全橋變換器中整流管電壓震蕩尖峰問題[6-8]，該變換器采用原邊鉗位二極管的方式來抑制次級輸出整流管的電壓尖峰，取得了良好效果，變換器最高轉換效率高達97%，功率密度高達343 W/in3，效率和功率密度優于國外同類高壓DC/DC變換器，可廣泛用于高壓輸入的供電系統。

1" " 移相全橋軟開關拓撲工作原理

移相全橋軟開關拓撲不僅具有電路結構簡潔、控制方式簡單、輸出功率大等優點，而且功率開關管工作在零壓開關狀態下，大大減小了功率管的開關損耗，因此移相全橋軟開關拓撲在高壓大功率場合被廣泛應用[9]。

2" " 整流管電壓震蕩及解決措施

3" " 關鍵參數設計

3.1" " 設計目標

本文設計目標是設計一款高壓輸入高效率全磚2 kW移相全橋DC/DC變換器，具體指標如表1所示。

3.2" " 變壓器設計

3.3" " 諧振電感設計

3.4" " 輸出濾波電感設計

3.5" " 功率開關管的選擇

3.5.1" " 初級功率MOS管

本設計采用移相全橋拓撲，初級功率MOS管漏源極承受電壓為輸入電壓，本設計要求最高浪涌電壓為400 V，初級功率MOS管耐壓需要大于400 V；次級最大輸出電流峰值為85.7 A，按變壓器匝比折算到初級后電流最大值約為14.3 A。針對高壓輸入、輸出功率大、轉換效率高的特點，本設計初級功率MOS管選用重慶平偉實業股份有限公司的SiC MOSFET，型號為SC030N65TK，該器件漏源耐壓650 V，最大工作電流39 A，導通電阻30 mΩ。針對SiC MOSFET的開關特性設計了負壓驅動電路，保證SiC MOSFET可靠關斷。

3.5.2" " 次級同步整流管

3.6" " 輸出電容設計

4" " 實驗結果及分析

根據以上計算和設計，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，產品具有原邊使能控制、輸出電壓微調、輸出過壓、輸入欠壓等功能，產品如圖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的次級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給出了變換器的測試數據，可以看出該變換器主要指標均滿足設計要求。

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

從圖8、圖9可以看出，初級開關管和次級同步整流管在漏源極電壓為零時開通和關斷，初級開關管和次級同步整流管均實現了零壓開關，減小了開關損耗。從圖10可以看出輸出，電壓穩定，輸出紋波在180 mV左右。

從圖11可以看出，本產品有著較為平滑的啟動波形，單調上升、無過沖，產品啟動時間在200 ms左右。

5" " 結論

本文設計了一款基于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關拓撲工作原理，并完成了變換器關鍵參數設計，同時運用原邊鉗位二極管電路對輸出整流管的電壓尖峰進行抑制。隨后通過實驗對設計進行驗證，從實驗結果可以看出，該變換器主功率管實現了軟開關工作，大大減小了開關損耗，變換器轉換效率高達97%，具有較好的啟動特性和較小的輸出紋波電壓。該變換器的各項指標均滿足設計要求，可廣泛用于高壓輸入、大功率輸出的供電系統。

[參考文獻]

[1] 鄒揚，趙隆冬，朱曉輝，等.基于GaN器件的半磚1 kW高壓模塊電源研制[J].電力電子技術，2021，55（11）：30-32.

[2] 鄧程城，楊偉.基于DSP帶鉗位二極管的移相全橋ZVS變換器研究[J].電工電氣，2015（9）：12-15.

[3] 史永勝，劉言新，王喜鋒，等.移相全橋ZVS變換器的優化及參數設計[J].電子器件，2016，39（3）：650-654.

[4] 陳明理，畢睿華，陳昊，等.基于UC3875的移相式PWM直流電源設計[J].機電信息，2018（12）：27-29.

[5] 李輝，程偉，馬歡，等.基于Saber的ZVZCS全橋開關變換器仿真研究[J].機電信息，2021（14）：1-3.

[6] 阮新波.脈寬調制DC/DC全橋變換器的軟開關技術[M].北京：科學出版社，2012.

[7] 張本庚，劉平.移相全橋ZVS變換器的分析和設計[J].通信電源技術，2010，27（6）：30-32.

[8] 高東輝，袁寶山，蔡可紅，等.一種大功率厚膜混合集成DC/DC變換器設計[J].中國電子科學研究院學報，2023，18（5）：429-437.

[9] JANG Y，JOVANOVIC M M.A New Family of Full-Bridge ZVS Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（3）：701-708.

[10] 柯燦，林飛，李彬，等.移相全橋電路整流二極管電壓振蕩原理與抑制[J].電力電子技術，2021，55（2）：36-39.

收稿日期：2024-05-20

作者簡介：吳承龍（1985—），男，山東臨沂人，高級工程師，主要從事開關電源設計工作。