基于高速IGBT的100kHz高壓-低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

 摘要：本文分析了一種基于高速IGBT的軟開關(guān)移相全橋帶同步整流的DC/DC轉(zhuǎn)換器。移相全橋拓?fù)涞能涢_關(guān)技術(shù)是混合動力汽車和電動汽車高壓-低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的主流關(guān)鍵技術(shù)。業(yè)界早期使用MOSFET作為主功率單元，隨著該DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率需求逐漸增大，基于MOSFET的設(shè)計(jì)系統(tǒng)效率急劇下降，已經(jīng)不能滿足應(yīng)用要求。本文采用英飛凌第三代高速IGBT和快速二極管功率模塊F4-50R07W1H3作為DC/DC轉(zhuǎn)換器核心主功率單元，采用無核傳感技術(shù)的驅(qū)動芯片1ED020I12FA2，使開關(guān)器件工作在100kHz的軟開關(guān)狀態(tài)下，用以評估替代超級結(jié)場效應(yīng)管(Super-junction MOSFET)的可行性，為未來更大功率的DC/DC轉(zhuǎn)換器提供基礎(chǔ)解決方案。實(shí)驗(yàn)表明，在220V到400V的寬范圍內(nèi)，輸出14V 145A的全范圍效率均可達(dá)90%以上，證明第三代高速IGBT是這個未來市場的主流方案之一。

緒論

DC/DC變換器是電動汽車、混動汽車等新能源汽車中不可或缺的輔助性電子設(shè)備，它取代了傳統(tǒng)汽車原有的發(fā)動機(jī)通過皮帶帶動的發(fā)電機(jī)，給車輛電壓12V網(wǎng)絡(luò)供電。實(shí)現(xiàn)了車輛推進(jìn)系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的分離。為提高整車系統(tǒng)效率提供了便利條件。它的輸入是高壓儲能動力電池系統(tǒng)，輸出是低壓12伏電源網(wǎng)絡(luò)，因此叫做高壓-低壓DC/DC變換器(HV-LV DC/DC Converter)，見圖1。該DC/DC變換器通常功率為1~3kW[1]。

零電壓開關(guān)的移相全橋是這一應(yīng)用的通用拓?fù)鋄2-3]。這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2，其優(yōu)點(diǎn)是通過移相調(diào)制利用系統(tǒng)寄生參數(shù)(變壓器漏感Lleak和開關(guān)器件輸出電容Coss)，而且這一軟開關(guān)拓?fù)涔ぷ髟诙l的開關(guān)頻率下，非常有利于器件寄生參數(shù)選取。

典型的用于電動汽車與混合動力汽車的移相全橋轉(zhuǎn)換器要求如下：高壓輸入來自于高壓電池組，電壓大約200V到400V;輸出部分連接低壓電池和弱電負(fù)載，電壓14V左右。表1給出該DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型指標(biāo)。基于100kHz的開關(guān)頻率和輸入電壓范圍指標(biāo)，目前這個應(yīng)用的多數(shù)開關(guān)器件都是超級結(jié)場效應(yīng)管(Super-junction MOSFET) [4]。IGBT原本多用于1kHz到20kHz的開關(guān)頻率應(yīng)用。隨著結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，開關(guān)損耗降低，高速IGBT逐漸在更高的開關(guān)頻率得以應(yīng)用。本文根據(jù)這一前沿趨勢，研究這種改進(jìn)的高速IGBT在高壓到低壓DC/DC中的100kHz開關(guān)應(yīng)用。

本文結(jié)構(gòu)如下：第一章論述高頻開關(guān)工作的IGBT現(xiàn)狀;第二章論述該高壓到低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的具體設(shè)計(jì)方案;第三章展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括開關(guān)細(xì)節(jié)波形和效率測試。

1 高頻開關(guān)工作的IGBT技術(shù)

超級結(jié)技術(shù)的MOSFET基于電荷補(bǔ)償原理，早在1998年就進(jìn)入市場[5]，在600V耐壓級別的應(yīng)用范圍里形成一場革命。其最重要的優(yōu)點(diǎn)是它在寄生二極管的有源層中采用了垂直PN細(xì)條的三維結(jié)構(gòu)，它能維持相同的阻斷電壓，但是由于減小了垂直PN條的寬度，導(dǎo)通電阻得以成比例的減小。采用這個方法，單位面積導(dǎo)通電阻可降低5-10倍。在超級結(jié)技術(shù)產(chǎn)生之前，在600V耐壓級別應(yīng)用領(lǐng)域不可避免地會使用具有優(yōu)良導(dǎo)通損耗的IGBT。而限于IGBT特有的拖尾電流和由此導(dǎo)致的開關(guān)損耗，開關(guān)頻率始終在20kHz以下。兩種當(dāng)時(shí)主流的IGBT(PT和NPT)都存在這種拖尾電流[6] 。

改變這一現(xiàn)象的標(biāo)志性技術(shù)進(jìn)步由溝槽柵場終止結(jié)構(gòu)IGBT(英飛凌制造)和軟穿通結(jié)構(gòu)IGBT(ABB制造)實(shí)現(xiàn)[7]。溝槽柵場終止結(jié)構(gòu)IGBT誕生于2000年[8]，改進(jìn)了IGBT的關(guān)斷拖尾電流波形。其后溝槽柵場終止結(jié)構(gòu)IGBT基于不同的應(yīng)用場合被進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化的IGBT工作在20kHz到40kHz的開關(guān)頻率應(yīng)用于電焊機(jī)、太陽能逆變器和UPS方面[9]。英飛凌于2010年發(fā)布了為高頻硬開關(guān)優(yōu)化的600V溝槽柵場終止結(jié)構(gòu)IGBT，又在2012年發(fā)布了一系列用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的溝槽柵場終止結(jié)構(gòu)IGBT[10-11]。這些新型IGBT的誕生，為本文的100kHz開關(guān)移相全橋拓?fù)涮峁┝嘶A(chǔ)條件。

2 DCDC轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

主變壓器匝比，計(jì)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(yīng)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(yīng)計(jì)算最大磁場密度 B，具體計(jì)算見公式(2)[12]。其中Ae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(jì)算伏秒積的公式見(3)。

(3)

2.2 同步整流電路設(shè)計(jì)

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?fù)溆腥N，全橋整流，全波整流和倍流整流。倍流整流在這種應(yīng)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(dá)到90%以上的效率。本設(shè)計(jì)選用了全波整流拓?fù)?，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(dǎo)體數(shù)量會減少一半。雖然半導(dǎo)體上的電壓應(yīng)力因?yàn)楦边厓蓚€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?fù)涞膿p耗基本一致。仿真計(jì)算結(jié)果也支持了這一分析，而且全波整流在更高負(fù)載的效率也比全橋整流略有優(yōu)勢。

輸出濾波電感的設(shè)計(jì)主要是滿足電流連續(xù)，因此計(jì)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(shè)計(jì)

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(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了電流檢測變壓器來檢測電流信號。在拓?fù)渲须娏鳈z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(fù)載是單向的，要避免短路時(shí)發(fā)生的磁飽和會比較困難，特別是要注意飽和點(diǎn)要超過主變壓器原邊的飽和點(diǎn)，否則無法檢測短路電流。如果電流檢測傳感器的設(shè)計(jì)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(diǎn)通過驅(qū)動芯片來彌補(bǔ)，設(shè)計(jì)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(yàn)證結(jié)果

在100kHz開關(guān)頻率下，進(jìn)行了一系列的測試，以評估高速IGBT在此應(yīng)用中的適應(yīng)性和潛在優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)出于成本和空間的考慮，沒有采用外置的諧振電感，而是運(yùn)用變壓器自身漏感來進(jìn)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(dǎo)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?fù)渲械年P(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(shí)，拖尾電流開始顯現(xiàn)，關(guān)斷損耗也開始增加。

3.2 開通損耗分析

如圖7所示，盡管大多數(shù)負(fù)載點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，但是在輕載時(shí)由于原邊電流較小，儲存在變壓器漏感的能量較小，不足以使滯后臂實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。從整體效果來看，主工作區(qū)間良好實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷，IGBT的極低的輸出電容特性使得整個系統(tǒng)在沒有外置諧振電感的情況下實(shí)現(xiàn)了主工作區(qū)間的軟關(guān)斷，系統(tǒng)損耗由此明顯降低，這也是由前文提到的IGBT芯片面積遠(yuǎn)小于MOSFET所決定。

3.3 效率測試與分析

經(jīng)過前文對開通和關(guān)斷狀態(tài)的分析，進(jìn)一步測試了整個系統(tǒng)的效率，效率的測試方法采用測量輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流并計(jì)算輸入功率和輸出功率的方法得到。輸入電壓采用電壓表測量，輸入電流采用高精度分流計(jì)測量，輸出電壓電流功率數(shù)據(jù)從電子負(fù)載中得到。最終測試結(jié)果顯示，在很寬的電壓輸入范圍里，系統(tǒng)都能超過90% 的效率。圖8展示了輸入電壓220V到400V，輸出電流20A到110A的系統(tǒng)效率曲線，其中系統(tǒng)效率較高的區(qū)域是電壓輸入較低的區(qū)域。最核心的負(fù)載段，即30%到70%的負(fù)載段是系統(tǒng)工作最典型的使用工況，也是本設(shè)計(jì)最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)段，該段效率也達(dá)到了90%以上。

4 結(jié)論

當(dāng)代高速IGBT(如英飛凌HS3系列)，對比傳統(tǒng)的溝槽柵場終止IGBT，在不增加集電極到發(fā)射極飽和壓降的情況下，拖尾電流和關(guān)斷損耗得到顯著改善，顯著地改善了溝槽柵。通過電路設(shè)計(jì)和實(shí)際測試，在這種軟開關(guān)式移相全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了替代超級結(jié)MOSFET的可能性，同時(shí)在功率較高的工況超越了超級結(jié)MOSFET的性能，同時(shí)芯片面積比MOSFET大幅縮小，因此芯片成本也會降低。

本設(shè)計(jì)采用13:1的匝比，配合移相全橋和全波同步整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及無諧振電感特性，實(shí)現(xiàn)了220V到400V功率范圍，93%的最優(yōu)效率，以及非常平緩的效率下降平臺，為高壓-低壓DC/DC變換器的設(shè)計(jì)提供了一種新的功率器件設(shè)計(jì)選擇方向。