基于高速IGBT的100kHz高壓-低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

2 DCDC轉(zhuǎn)換器電路設計

　　該DC/DC轉(zhuǎn)換器采用英飛凌的650V 50A高速IGBT和快速二極管模塊Easy module 1B，具體電路形式見圖9，主要采用的電子元件見表2。

2.1 主功率變壓器設計

　　主變壓器匝比，計算見公式1，其中和MOSFET有區(qū)別的地方在于開關(guān)器件結(jié)壓降變成了IGBT的集電極到發(fā)射極壓降Vcesat。更高的匝比數(shù)可以降低原邊流過IGBT的電流有效值，但是另一方面，由于變壓器漏感引起的丟失占空比使得最低輸入電壓220V和額定輸出電壓13.8V的有效占空比應控制在85%以內(nèi)，因此最后選擇匝數(shù)比為13:1:1。

(1)

　　為了正確選擇磁芯尺寸，保證變壓器不會飽和，應計算最大磁場密度 B，具體計算見公式(2)^[12]。其中A_e是磁芯截面積，n₁是變壓器原邊匝數(shù)。λ是副邊的伏秒積。

(2)

　　計算伏秒積的公式見(3)。

(3)

2.2 同步整流電路設計

　　同步整流技術(shù)可以顯著提高副邊的整流效率，降低整流產(chǎn)生的損耗。常見的同步整流電路拓撲有三種，全橋整流，全波整流和倍流整流。倍流整流在這種應用中需要耐壓更高的開關(guān)器件，因此會產(chǎn)生更大的通態(tài)損耗，系統(tǒng)效率在86%左右，而全橋整流和全波整流都可以達到90%以上的效率。本設計選用了全波整流拓撲，如圖3所示。相比于全橋整流電路，變壓器副邊需要多一個中心抽頭，但是所用的半導體數(shù)量會減少一半。雖然半導體上的電壓應力因為副邊兩個繞組的關(guān)系需要耐壓更高，但是MOSFET數(shù)量的減少使兩種拓撲的損耗基本一致。仿真計算結(jié)果也支持了這一分析，而且全波整流在更高負載的效率也比全橋整流略有優(yōu)勢。

　　輸出濾波電感的設計主要是滿足電流連續(xù)，因此計算公式見4。由公式可知，提高開關(guān)頻率有利于減小電感感值，也有利于較小電感尺寸。

(4)

2.3 電流檢測變壓器設計

　　常見的電流傳感方案有采樣電阻、霍爾傳感器，電流檢測變壓器等等，電流檢測變壓器具有低成本和電氣隔離的特點，本設計采用了電流檢測變壓器來檢測電流信號。在拓撲中電流檢測傳感器有兩種檢測位置，如圖4所示。

　　放置在直流母線側(cè)的電流檢測傳感器可以檢測上下臂直通短路，但是由于其負載是單向的，要避免短路時發(fā)生的磁飽和會比較困難，特別是要注意飽和點要超過主變壓器原邊的飽和點，否則無法檢測短路電流。如果電流檢測傳感器的設計在主變壓器的原邊，由于其工作在雙向模式，因此磁通密度提高了一倍。而無法檢測上下臂直通的缺點通過驅(qū)動芯片來彌補，設計采用的驅(qū)動芯片具有互鎖功能，有效防止上下臂直通短路。

3 測試驗證結(jié)果

　　在100kHz開關(guān)頻率下，進行了一系列的測試，以評估高速IGBT在此應用中的適應性和潛在優(yōu)勢。本設計出于成本和空間的考慮，沒有采用外置的諧振電感，而是運用變壓器自身漏感來進行諧振。從基本性能來講同樣電壓電流的IGBT芯片面積只有MOSFET的六分之一，在小電流和低溫條件下MOSFET具有優(yōu)勢。但是隨著工作結(jié)溫的提高的電流增大，IGBT的電流能力迅速提高，導通損耗比MOSFET明顯降低，如圖5所示。

3.1 關(guān)斷損耗分析

如圖6所示高速IGBT在此拓撲中的關(guān)斷拖尾電流幾乎可以忽略，和傳統(tǒng)IGBT相比，其關(guān)斷損耗顯著減小。在結(jié)溫較高時，拖尾電流開始顯現(xiàn)，關(guān)斷損耗也開始增加。