基于碳化硅器件的DC/DC 变换器

汪琴芳

（合肥通用职业技术学院信息管理工程系，安徽 合肥230031）

DC/DC 变换器，是新能源电动汽车的核心部件之一，它将车载动力电池高压转换为直流低压，供车载电子设备使用，随着新能源汽车的快速发展，高效、小体积、大功率DC/DC 变换器的研究越来越重要，车载动力电池的直流电压输出能到七百伏。同时我们国家采用三相380 伏供电，无源整流之后的电压为500V 左右，若采用APFC 技术，得到的直流高压将达到650 伏以上，那么后级DC/DC 变换器的输入，就要采用耐高压器件。传统上高压器件一般采用IGBT, 众所周知，IGBT 的开关频率受到严重的限制，一般只能30kHz 左右,这样会导致变压器电感等磁性元器件的体积偏大,无法做到转换器的小型化。

近年来，碳化硅MOS 器件发展迅速，在高压场合应用越来越广泛。碳化硅MOS 器件具有结电容小，开关速度快，开关损耗小等显著优点。其在DC/DC 变换器中的应用值得研究。而DC/DC 转换器模块电源随着其优势的凸显，在市场上占据了一席之地。市场有需求，厂家就有竞争。虽然国外的几大模块电源厂家技术较为先进，各方面性能也较为稳定，整体水平在不断地提升，但是不可否认，我国国内的整体水平还处于发展阶段，模块电源产品种类繁多，不同的厂家生产的产品在工作频率以及转换效率上有所不同。但是就质量和性能而言，还不够与国外的产品相提并论，这也是我国大力发展模块电源的国际背景和市场需求。

一款成功的模块电源的设计，需要从各方面进行优化折中，对设计人员要求较高。不仅要对开关电源的基础理论熟悉掌握，还要了解十分实际的使用技术，在原理设计上除了对电路拓扑的工作原理十分熟悉，还要保证在满足模块尺寸要求的前提下，最大可能实现高功率密度和高效率的要求。

1 高压输入，低压大电流输出的高效率的电路拓扑以及碳化硅MOS 管的驱动方法及驱动电路组成

主电路原边拓扑采用全桥变换器，副边拓扑采用全波整流电路。变换器采用移相控制方式，可以实现原边主开关管零电压开通，从而减小开关管的开关损耗。同时，为了抑制和消除副边整流管两端因谐振电感和整流管结电容谐振所引起的电压尖峰和振荡，全桥变换器中加入了箝位二极管，并引入电流互感器复位电路来加快箝位二极管的电流复位速度，从而避免轻载时，箝位二极管因硬关断而损坏，进而提高变换器的可靠性。碳化硅专用驱动芯片还不常见，即使有也因其性能有限、价格不菲而较少使用，实际使用场合也出现各种方法和电路，如采用常规的驱动芯片加上外围电路形成一个负偏压的驱动单元，但在启动过程或保护重启后或多或少有一些问题。本项目拟采用隔离变压器加上二极管、稳压二极管、电容、电阻等简单的器件作为驱动单元，利用变压器交变输出的特性，确保碳化硅MOS 管G极的负压。

如图1 所示，QA、QB、QC、QD 为全桥原边主开关管；Lr 为谐振电感，作用为实现开关管的零电压开通；主变压器T1 通过磁路传递能量至输出侧，同时实现了输入与输出侧电 压隔离，输出电压由原边与副边线圈匝比确定；D1、D2 为箝位二极管，消除寄生参数引起的电压尖峰和振荡，高压输入，低压大电流输出的高效率的电路拓扑，从而保证电源模块具有高的变换效率。

图1 全桥移相变换器

电感电流波形比较：

2 模块电源内变压器、电感等磁性元件结构的优化

研究模块电源内变压器、电感等磁性元件结构的优化设计方法，从而可以尽量减小模块电源的体积，进而提高变换器的功率密度，主变压器拟采用多个平面变压器模块原边串联，副边并联的结构。该结构可以实现各平面变压器模块原边绕组自动均压，副边各路输出自动均分负载电流，有利于降低各平面变压器模块的电流应力与热应力。由于各变压器模块采用的是平面磁芯，因而电源模块的高度可以得到降低。

图2 为多变压器串、并联结构，变压器T1、T2…Tn，原边绕组串联，副边绕组采用全 波整流输出，通过输出电感L1、L2…Ln 后并联运行。采用此方式，减小单个变压器的转换功率和原、副边线圈匝比，降低变压器体积，从而减低变换器模块的整体高度。主变压器的原副边绕组采用交错布置的方法。该方法有利用降低主变压器的漏感，从而有利于提高变换器的效率。除此之外，减小主变压器的漏感还有利于消除或减弱由于漏感与副边整流管谐振所引起整流管两端的电压尖峰与振荡，从而可以减小副边整流管的电压应力。

图2 多变压器串、并联结构

变压器原边电压比较

模块电源内变压器绕组的优化布置方法，从而可以减小变压器漏感，提高变换器的整体性能，变换器副边采用全波同步整流方式。在该方式下，同步整流管的导通损耗明显低于采用二极管整流时副边二极管的导通损耗，从而有利于提高变换器的整机效率。如：快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（SRD）可达1.0～1.2V，即使采用低压降 的肖特基二极管（SBD），也会产生大约0.6V 的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。而通态电阻极低的专用功率MOSFET，其导通电阻只有3～6 mΩ，IR 公司生产的IRL3803S（30V／100A）型功率MOSFET 和IXYS 公司生产的IXFH280N07（70V/280A）型功率MOSFET，它们的通态电阻分别为6mΩ 和5mΩ，采用并联技术来取代整流二极管时，其通态压降可低至0.3V，从而降低整流损耗，提高效率。

图3 平面变压器设计工艺

3 直流变换器的并联均流技术，使电源模块具有并联自主均流功能

DC/DC 变换器采用最大电流均流法。通过检测各并联模块的输出电流信号，得到输出电流最大模块的输出电流信号，并将其作为其他各模块的均流环基准。该均流环基准信号分别与各模块的输出电流信号比较、放大，产生误差信号，直接加至各模块的电压基准中，通过微调各模块的输出电压，从而实现各模块均流输出。

如图4 所示，采集所得的电流信号，通过二极管传输至均流母线作为模块自动均流的控制信号，经差分放大器处理后作用于控制环路给定信号，实现控制环路调节，从而达到多模块并联运行的均流功能。

图4 均流电路示意图

4 结论

制作高压大功率DC/DC 变换波器一台。其主要指标为：①输入电压：500VDC(变动范围400～700VDC)；②输出电压：28VDC；③输出电流：100A；④效率：≥94%；⑤体积：＜220mm (长)×160mm（宽）×60mm（高）。