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(yùn)用原邊鉗位二極管電路對輸出整流管的電壓尖峰進(jìn)行抑制?，F(xiàn)首先介紹移相全橋軟開關(guān)拓?fù)涞墓ぷ髟砗驼鞴芗夥逡种齐娐?，隨后對變換器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該變換器實(shí)現(xiàn)了功率管零壓開關(guān)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(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，可廣泛用于高壓輸入的供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：移相全橋；DC/DC變換器；鉗位二極管；零壓開關(guān)

中圖分類號：TM46" " 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用于機(jī)載供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)對DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率和功率密度的要求越來越高，為了進(jìn)一步提高開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度，軟開關(guān)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。移相全橋軟開關(guān)拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)功率管零電壓開關(guān)，大大減小MOS管開關(guān)損耗，且電路控制相對簡單，初級MOS管電壓應(yīng)力低，在中高壓、中大功率場合得到了廣泛的應(yīng)用。而SiC器件作為第三代半導(dǎo)體器件，相對Si基器件具有更低的導(dǎo)通和開關(guān)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(guān)拓?fù)?，研發(fā)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(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，功率密度高達(dá)343 W/in3，效率和功率密度優(yōu)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(tǒng)。

1" " 移相全橋軟開關(guān)拓?fù)涔ぷ髟?/p>

移相全橋軟開關(guān)拓?fù)洳粌H具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，而且功率開關(guān)管工作在零壓開關(guān)狀態(tài)下，大大減小了功率管的開關(guān)損耗，因此移相全橋軟開關(guān)拓?fù)湓诟邏捍蠊β蕡龊媳粡V泛應(yīng)用[9]。

2" " 整流管電壓震蕩及解決措施

3" " 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1" " 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(biāo)如表1所示。

3.2" " 變壓器設(shè)計(jì)

3.3" " 諧振電感設(shè)計(jì)

3.4" " 輸出濾波電感設(shè)計(jì)

3.5" " 功率開關(guān)管的選擇

3.5.1" " 初級功率MOS管

本設(shè)計(jì)采用移相全橋拓?fù)洌跫壒β蔒OS管漏源極承受電壓為輸入電壓，本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)初級功率MOS管選用重慶平偉實(shí)業(yè)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(dǎo)通電阻30 mΩ。針對SiC MOSFET的開關(guān)特性設(shè)計(jì)了負(fù)壓驅(qū)動電路，保證SiC MOSFET可靠關(guān)斷。

3.5.2" " 次級同步整流管

3.6" " 輸出電容設(shè)計(jì)

4" " 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上計(jì)算和設(shè)計(jì)，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(chǎn)品具有原邊使能控制、輸出電壓微調(diào)、輸出過壓、輸入欠壓等功能，產(chǎn)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(shù)據(jù)，可以看出該變換器主要指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

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

從圖8、圖9可以看出，初級開關(guān)管和次級同步整流管在漏源極電壓為零時開通和關(guān)斷，初級開關(guān)管和次級同步整流管均實(shí)現(xiàn)了零壓開關(guān)，減小了開關(guān)損耗。從圖10可以看出輸出，電壓穩(wěn)定，輸出紋波在180 mV左右。

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

5" " 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(guān)拓?fù)涔ぷ髟?，并完成了變換器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，同時運(yùn)用原邊鉗位二極管電路對輸出整流管的電壓尖峰進(jìn)行抑制。隨后通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該變換器主功率管實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)工作，大大減小了開關(guān)損耗，變換器轉(zhuǎn)換效率高達(dá)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(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛用于高壓輸入、大功率輸出的供電系統(tǒng)。

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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(guān)電源設(shè)計(jì)工作。