基于碳化硅MOSFET的全桥LLC谐振变换器设计

吴文辉，孔 铭，范自勇，李家宇，吴春欢

（易事特集团股份有限公司，广东 东莞 523808）

0 引 言

随着以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料的迅猛发展，越来越多的碳化硅器件在电力电子设备中得到应用。碳化硅MOSFET具有高耐压、低导通损耗、高开关频率以及耐高温等优点，在高压设备中得到了广泛应用。

本文使用碳化硅MOSFET作为全桥LLC谐振变换器的开关管，研究了全桥LLC谐振电路的拓扑结构和工作原理，并通过MathCAD辅助绘制其增益特性。结合碳化硅MOSFET优点，提出了一种全桥LLC电路设计方法，并通过PSIM仿真验证其有效性[1]。

1 全桥LLC谐振变换器电路拓扑结构

全桥LLC谐振变换器电路拓扑结构如图1所示。Q1、Q2、Q3以及 Q4为初级碳化硅 MOSFET，Lr为谐振电感，Lm为变压器励磁电感，Cr为谐振电容，Q5、Q6、Q7以及Q8为次级输出的碳化硅MOSFET。LLC全桥谐振网络的设计主要就是设计变压器变比n、谐振电容Cr、谐振电感Lr及变压器励磁电感Lm[2]。

根据图1，碳化硅MOSFET的Q1、Q2、Q3以及Q4为方波发生器，作为谐振网络的输入。谐振电容Cr、谐振电感Lr以及变压器励磁电感Lm组成了谐振网络，碳化硅MOSFET的Q5、Q6、Q7以及Q8为整流网络工作时需要同步整流。

当变压器T1励磁电感Lm被负载箝位，Lm不参与谐振时，LLC的谐振频率为；Lm参与谐振时，谐振频率为[3]。假定谐振变换器的工作频率为fs，以两个谐振频率点fr和fm为界，可以将谐振变换器的工作区域分成fs≤fm、fm≤fs≤fr以及fr＜fs。当fs≤fm时，谐振变换器工作在容性区域，不能实现零电压开关，不能有效降低管子开通关断损耗，设计时应该避免工作在此区域；当fr＜fs时，谐振变换器工作在感性区域，但是变压器次级的管子不能实现零电流开关，设计时应避免工作在此区域；当fm＜fs≤fr时，谐振变换器工作在感性区域，同时变压器次级的管子也可实现零电流开关，能够有效降低管子的开通和关断损耗，是最适合的工作区域。此外，当fs=fr时，谐振变换器的谐振电流波形最接近正弦波形，为效率最高点。

2 全桥LLC谐振变换器工作原理

设计全桥LLC谐振变换器的工作频率区间为fm＜fs≤fr，变换器在此区间时工作在感性区域，谐振电压相位超前谐振电流的相位。在管子开通前，体二极管已有电流流过，开关管两端的电压钳位为零，实现零电压开通管子。当fm＜fs≤fr时，谐振腔工作波形如图2所示。将其分成8个工作阶段，前半工作周期和后半周期原理类似，这里只分别讨论其中4个阶段，其余4个阶段类似。

图2 fm＜fs≤fr时全桥LLC谐振变换器工作波形

根据图2的工作波形，将其分成8个工作阶段。在t0～t1时间段内工作原理如图3所示。在t0时刻，碳化硅MOSFET的Q1、Q4的UDS为零电压，此时给Q1、Q4使能开通信号，实现零开通。t0～t1时间段内谐振电流ir大于励磁电流im，即有电流流过变压器初级线圈，并将能量传递给了变压器次级线圈。变压器次级线圈的感应电流流过Q5、Q8的体二极管，给电容充电，为负载供电[4]。

图3 全桥LLC谐振变换器fm＜fs≤fr时t0～t1时间段内工作原理

t1时刻，谐振电流ir和励磁电流im相等，变压器没有向次级传输能量[5]。变压器次级侧的碳化硅MOSFET的Q5、Q8流过的电流自动到零，并自然关断，实现零电流开关。如图4所示，此时负载将由输出电容提供能量支撑。变压器的励磁电感Lm、谐振电感Lr关断，谐振电容Cr一起谐振，谐振频率为fm，其周期比谐振频率fr长，在t1～t2时间段内，谐振电流近似为水平。在t2时刻，Q1、Q4的使能信号为零。

图4 全桥LLC谐振变换器fm＜fs≤fr时t1～t2时间段内工作原理

如图5所示，碳化硅MOSFET的Q1、Q4关断，进入死区时间，Q1、Q4的UDS的电压逐渐升高至输入电压，Q2、Q3的UDS电压逐渐降低，t3时刻降低到零。此期间由于谐振电流ir小于励磁电流im，变压器初级侧的电流改变方向，变压器次级也感应出电流，使Q6、Q7导通，给负载供电。变压器初级侧的励磁电感Lm被钳位，不参与谐振，此时谐振频率恢复为fr。

图5 全桥LLC谐振变换器fm＜fs≤fr时t2～t4时间段内工作原理

t3时刻，碳化硅MOSFET的Q2、Q3的UDS电压为零，为Q2、Q3使能信号实现零电压开通创造条件。在t4时刻，Q2、Q3使能信号为零。此期间，Q2、Q3的体二极管导通，使Q2、Q3的UDS电压保持为零。谐振电流ir小于励磁电流im，ir以正弦形式继续减小，im线性减少。变压器次级Q6、Q7导通，持续给负载供电。

3 全桥LLC谐振变换器增益特性

将全桥LLC谐振变换器的输入等效成正弦基波形式，对其工作过程进行分析[6]。由基波分析法，全桥LLC谐振变换器等效负载阻抗为：

全桥LLC谐振腔的电压增益为：

应用工程计算软件MathCAD，分别定量k=4和Q=0.35时，绘制增益曲线如图6所示。

图6 不同条件下的电压增益曲线

借助MathCAD绘制的增益曲线，可以定性分析谐振器增益特性趋势[8]。根据图6，当k一定时，Q越小，谐振腔的增益值M越大，且曲线更陡峭。当Q一定时，k越小，增益值越高，且增益曲线越陡峭。增益曲线越陡峭，则得到相同的增益区间时开关频率的变化范围较小。谐振变换器的设计需要考虑增益范围、开关频率以及开关管电流，综合考虑k和Q的取值，从而确定谐振器件参数。

4 碳化硅MOSFET优点

相较于目前市面常用的硅器件，碳化硅MOSFET具有高耐压、低阻抗以及高开关频率等优势。其比硅器件有更优异的耐压性，易于制作高耐压器件。高开关频率使得磁性器件、被动器件可以更小型，设备具有更高的功率密度和更低的系统成本。将高性能的碳化硅器件应用到全桥LLC谐振变换器中，使变换器的开关频率更高、开关损耗降低。

5 全桥LLC谐振变换器设计

通过对碳化硅MOSFET优势的分析和对全桥LLC变换器的研究，设计一款20 kW的碳化硅MOSFET全桥LLC谐振变换器，其额定输入直流电压Uin=390 V，输入范围320～420 V，输出电压480 V，功率20 kW[9]。

选定开关频率，碳化硅MOSFET开关频率可以在400 kHz内，初选取谐振器的开关频率为fs=180 kHz。

最大增益为：

最小增益为：

等效输出负载为：

交流等效反射电阻为：

6 仿真验证

在PSIM中，使用谐振变换器参数进行建模仿真，模型如图7所示。

图7 全桥LLC谐振变换器PSIM模型

在这个模型里，通过改变开关频率及负载状况，直观地仿真出各个工况[10,11]。通过仿真验证，设计的谐振变换器满足要求。

7 结 论

通过对全桥LLC谐振变换器工作原理、电压增益函数进行分析，提出一种设计谐振变换器谐振元件参数的方法。在实际应用中，通过多次调节不同参数，对照仿真结果，能快速确定LLC谐振变换器元件参数的最佳设计方案。将LLC和具有高耐压、耐高温、低阻值的碳化硅器件结合应用，能使设备具有更高的功率密度和更小的体积，未来碳化硅器件在电力设备中将得到越来越多的应用。