150℃半桥式SiC高温直流开关电源设计

第37卷第10期2018年10月

电工电能新技术

Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy

Vol.37,No.10Oct.2018

收稿日期:2018-07-11

基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFB0100600)

作者简介:杨㊀杰(1975-),男,江苏籍,教授,博士,研究方向为极限环境电子系统;

叶㊀柠(1979-),男,辽宁籍,讲师,博士,研究方向为电路设计㊂

150ħ半桥式SiC 高温直流开关电源设计

杨㊀杰,叶㊀柠,高㊀伟,闫逸伍

(东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004)

摘要:为了满足极限环境对电源系统的要求,本文设计了一种基于SiC 器件的高温隔离开关电源㊂针对光耦反馈的温度局限,本文提出了直接反馈隔离驱动的结构,设计了高温隔离驱动模块,能够对输出电压实现高精度㊁高效率的控制,并且能够较好地降低温度对反馈精度的影响㊂测试结果表明所设计的高温直流开关电源系统可以稳定工作在150ħ的高温环境中㊂关键词:SiC ;高温;开关电源;隔离驱动

DOI :10.12067/ATEEE1807034㊀㊀㊀文章编号:1003-3076(2018)10-0071-06㊀㊀㊀中图分类号:TG434.1

1㊀引言

功率半导体器件是开关电源的核心单元㊂常规开关电源一般使用硅MOSFET 及IGBT 功率器件,硅材料的物理性质决定了硅功率器件理论极限温度不能超过150ħ,当温度超过125ħ时,其性能将严重降低[1]㊂因此在某些特殊应用场景,诸如航空航天㊁石油钻井平台㊁新能源汽车等大功率㊁高温度环境的领域,常规硅基功率器件开关电源是无法胜任的㊂碳化硅(SiC)是目前最先进的第三代宽禁带半导体材料,有着远远优于单晶硅的物理特性,包括:①大约3倍的禁带宽度,其作为半导体器件的理论工作结温高达600ħ,而硅半导体器件理论上最高工作结温仅为150ħ;②大约10倍的电场强度,这使得SiC 功率器件目前最高反向击穿电压高达200kV,远远超过硅功率器件最高6500V 的反向击穿电压;③大约快一倍的饱和电子迁移率,以其为核

心的功率逆变单元有着优良的高频特性,其最高开关频率可以在兆赫兹以上,10倍于硅IGBT 的开关频率,有利于变流系统的轻量化和小型化设计;④导通电阻比相同规格的硅功率器件减小50%,从而大幅降低导通损耗以及系统的热负荷,提高满载工作的可靠性[2]㊂SiC 的优秀性能决定了其在高温㊁高频㊁大功率半导体器件等方面广泛的应用前景㊂基于SiC 材料功率器件研发的开关电源,可以稳定工

作于150ħ环境下[3,4]㊂

大功率开关电源一般需要做到输入输出隔离来

保证安全性,隔离式开关电源普遍采用变压器和光电耦合器来实现前后级的隔离㊂但是光耦抗辐噪性能较差,而且其电流传递系数随着工作环境温度的提升而逐渐降低,使得DC-DC 变换器环路的增益降低,导致开关电源系统的稳定性变差[4]㊂目前在高温下实现隔离反馈的方式主要为磁隔离反馈和变压

器原边反馈,然而现有的磁隔离反馈的速度不如光耦,且电路设计非常复杂,占用空间较大[5]㊂变压器原边反馈有两个固有问题:①检测的非实时性;②

线缆压降㊂这两个问题是不可避免的[6]㊂

针对高温等特殊环境对开关电源的需求,本文设计了一种可在150ħ环境温度下工作的高温隔离开关电源㊂本文所设计的开关电源采用耐高温的SiC 功率开关器件,同时通过特殊的隔离电路设计实现高温下的高精度隔离反馈㊂本文所设计的高温直流开关电源系统选择半桥拓扑结构㊂主要设计指标为:①输入电压V in :350~500V DC;②输出电压V out :24V DC;③输出功率:144W;④开关频率:

90kHz;⑤满载效率:>85%㊂

2㊀系统整体结构

高温半桥式开关电源系统架构如图1所示,分为功率逆变电路㊁输出端整流滤波电路㊁控制电路㊁

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隔离驱动模块以及供电模块5大部分㊂功率逆变电路主要由碳化硅功率开关器件组成,包括上下桥臂两个MOSFET,通过交错的驱动信号使其交替导通将输入的直流电压逆变为高频的交流电压[7]㊂功率变压器将前级逆变而来的交流电压调整到合适的范围,再通过由SiC 肖特基二极管构成的全波整流电路和LC 低通滤波电路生成所需的直流输出㊂控制电路采用脉宽调制(PWM)的控制方式产生PWM 控制信号,并根据对输出采样的反馈信号对PWM 信号的占空比进行调节㊂所生成的PWM 信号波形通过隔离驱动模块进行隔离传输并放大后驱动功率开关管[8-10]㊂控制电路中还包括反馈补偿网络,通过调整增益-频率曲线的零极点数量和位置,增加环路的低频增益以提高反馈速度和精度,直流开关电源的供电模块主要为电源的各个芯片供电

㊂

图1㊀高温半桥式开关电源系统架构

Fig.1㊀System architecture of high temperature half-bridge

switching power supply

3㊀功率逆变电路设计

半桥功率逆变电路如图2所示,开关管Q 1㊁Q 2

构成半桥的上下桥臂,通过控制开关管Q 1㊁Q 2的驱动信号使其交替导通,即可将直流V in 逆变为幅值为V in /2的交流电压,其频率为逆变器开关管的开关频率㊂电容C 1㊁C 2和电阻R 1㊁R 2构成分压电路,因此其分压点的对地电压为输入电压的1/2㊂隔直电容C b 的作用是防止分压不均造成变压器磁通不平衡

㊂

图2㊀半桥功率逆变电路

Fig.2㊀Half-bridge power inverter circuit diagram

功率逆变电路设计的一个核心问题是功率开关

管的选取㊂由于半桥拓扑的结构特点,开关管承受最大关断电压为直流母线电压的一半,即250V㊂由于变压器漏感及电路寄生参数的影响,开关管漏极会产生较大尖峰,同时考虑到在器件的漏源极耐压值在接近理论上限时会大幅降低,因此选择结温指标175ħ的1700V /40A 的SiC MOSFET,通过提高整机效率以降低发热,可以满足150ħ的环境温度要求[11]㊂SiC MOSFET 的寄生二极管足以满足续流要求,无需额外

反向并联肖特基二极管续流[12,13]㊂

4㊀隔离驱动模块设计

传统开关电源驱动电路一般采用非隔离方式,与前级PWM 控制电路共地㊂控制电路产生的PWM 波形直接传递给驱动电路进行信号幅值和能量的放大,实现驱动功率开关管的导通和关断[14-16]㊂在本设计中采用隔离驱动方案,前级产生的控制信号经调制变成高频信号,通过变压器传递给解调电路进行信号还原,再经过放大电路信号的电压电流幅值放大,以便正常驱动所连接的功率开关管㊂除了采用变压器实现信号隔离,驱动模块还

采用了隔离供电单元为次级侧的解调和放大电路供电㊂隔离驱动模块结构如图3所示

㊂

图3㊀隔离驱动模块结构

Fig.3㊀Block diagram of isolated gate driver module

隔离驱动模块初级侧输入输出电压波形对比如图4所示㊂其中下方波形为PWM 控制波形,即整个驱动模块的输入波形,上方波形为已调波形,通过二进制振幅键控(OOK)的方式将控制波形调制为

15MHz 的高频脉冲信号㊂采用高频调制的目的是尽可能降低脉冲变压器的体积㊂

脉冲变压器的输入和输出电压波形对比如图5

所示,下方幅值稍小一些的波形为脉冲变压器输入端波形,上方为输出端波形㊂