基于碳化矽MOSFET的20KW高效LLC諧振隔離DC/DC變換器方案研究
本方案利用新一代1000V、65毫歐4腳TO247封裝碳化矽(SiC)MOSFET(C3M0065100K)實現了高頻LLC諧振全橋隔離變換器，如圖所示。由于碳化矽的高阻斷電壓, 快速開關及低損耗等特點, 高壓輸入隔離DC/DC變換器的拓撲可以得到簡化（從原來的三電平簡化為傳統全橋拓撲）。碳化矽MOSFET在軟開關橋式上具有以下明顯的優勢:
高阻斷電壓可以簡化拓撲設計,電路從複雜三電平變為兩電平全橋電路，提高可靠性；
由于拓撲簡化，采用矽基650V MOSFET的方案在每個開通時刻有兩顆MOSFET同時導通，所以實際等效導通損耗會比采用全橋拓撲的1000V碳化矽MOSFET要大；
低寄生電容如輸入電容(Ciss),輸出電容(Coss)及反向傳輸電容(Crss)，使得器件快速開關,從而減少關斷損耗,開關表現更好并适合用于更高頻開關變換器；
體二極管具有極低反向恢複時間(trr)及反向恢複電荷(Qrr)從而降低二極管開關損耗及操聲,便于實現寬範圍工作；
較短的導通(tdon)及關斷(tdoff)延遲時間和低Qrr能承受更短死區時間,低死區時間可以降低繞組回流損耗；
較低栅極總電荷(Qg)在高頻應用上得到更低栅極開關驅動損耗.
碳化矽MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢複時間trr和反向恢複電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化矽MOSFET 寄生二極管反向電荷隻有同等電壓規格矽基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特别當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指标非常關鍵，它可以減小死區時間以及體二極管的反向恢複帶來的損耗和噪音，便于提高開關工作頻率。
給出了本設計主要參數指标，其中輸出最大電流為35A,輸出電壓範圍在300V-550之間。工作頻率範圍在150KHZ-400KHZ之間。目标最高效率超過98.4%，功率密度達到60瓦/立方英寸。
碳化矽器件包括主開關MOSFET：C3M0065100K； 輸出碳化矽二極管：C5D50065D;
單端反激Flyback輔助電源的MOSFET：C2M1000170D
方案能廣泛應用于新能源電動汽車充電、通信電源和高壓直流工業電源等三相隔離變換器中。
本圖比較了15KW市面上量産矽MOSFET方案和本碳化矽MOSFETR的20KW方案的尺寸和拓撲，從結果上看，該碳化矽MOSFET器件由于自身的高頻高壓以及低體二極管反向恢複的優勢能簡化拓撲設計，提高了隔離DC/DC變換器的功率密度。
方案每個開關采用兩顆1000V、65毫歐碳化矽MOSFET(C3M0065100K)并聯，總共有８顆碳化矽在變壓器原邊，輸出電壓範圍是300V-550V直流，輸出恒定電流為35A。
其中諧振電感采用兩顆8uH的PQ3540串聯，主變壓器為兩個PQ6560、Lm=150uH變壓器并聯。次邊采用恒壓加恒流控制策略實現全諧振變頻控制。
該圖給出了20KW高效LLC諧振全橋變換器的試驗樣機圖。其中包括有LLC控制反饋電路，輔助電源電路，諧振LLC等無源器件，原邊碳化矽MOSFET散熱器，次邊碳化矽650V二極管散熱器，驅動電路以及兩個12W風扇。
整體闆子尺寸為：275mmX220mmX65mm。
在LLC電路設計時候，一個重要參數是諧振點的設定，設定好諧振頻率意味着最高效率的确定，這個需要考慮實際工作情況以及器件自身特性來決定。
對于寬輸入輸出電壓的應用來說，就是要設定諧振點對應的額定輸入輸出電壓，在此額定輸入輸出電壓下實現最高效率工作，變換器實現ZVS開通，關斷實現接近ZCS關斷;
當工作在諧振點左面時，變換器工作在低于諧振頻率的升壓狀态，輸出二極管實現零電流ZCS關斷，碳化矽MOSFET關斷瞬間主要存在勵磁電流的較小關斷損耗。但其主要缺陷原邊勵磁電流有效值增加，從而在原邊産生環流損耗，此環流損耗并不傳輸能量同時會在變壓器、電感以及碳化矽MOSFET上産生導通環流損耗和溫升等問題。這個損耗與采用碳化矽器件與否沒有直接關系，即便采用碳化矽MOSFET設計環流損耗還是依然存在的；
當工作在諧振點右面時，變換器工作在高于諧振頻率的降壓狀态，其特點是高頻率工作可以減小原邊勵磁電流有效值，從而降低環流帶來的導通環流損耗。但此時碳化矽MOSFET和輸出二極管工作在硬關斷狀态，會增加關斷損耗。另外，對于傳統矽器件來講，其體二極管反向恢複時間trr一般大于200ns以上，這樣會産生較大體二極管反向恢複帶來的開關損耗和噪音，這是限制矽MOSFET工作在LLC更寬範圍的最主要原因。碳化矽MOSFET的反向恢複損耗更低（一般在14ns左右），同時關斷速度較快，這就便于變換器更多的工作在高于諧振頻率的範圍内工作，實現寬輸出電壓範圍。因此，在此模式下使用碳化矽MOSFET可以減小關斷損耗和體二極管帶來的開關損耗，實現更高頻率更低輸出電壓工作。
該圖為20KW LLC設計的在35A輸出電流條件下的DC增益曲線。從圖中可以看到，最高效率諧振頻率設定在700V輸入500V輸出條件下，諧振頻率為200KHZ。同時諧振頻率設計較為靠近最高輸出電壓下的最低工作頻率，從而降低勵磁電流帶來的環流損耗，這個環流損耗對效率影響非常大。此時适當增加K=Lm/Lr=4.7的比值，可實現更寬範圍工作。
同時，最低工作頻率是150KHZ，實現輸入750V輸出550V變換。最高工作頻率為400KHZ，實現輸入650V輸出300V變換。
圖示給出了變壓器和諧振電感的設計。特别是諧振電感設計是實現高頻LLC工作的難點，在該碳化矽方案中采用了下面措施降低諧振電感溫升的問題：
采用分段氣隙設計方法，降低氣隙漏磁與線包耦合帶來的高頻集膚效應問題，降低内層線包溫度。同時可以減小過大高頻漏磁帶來的EMI問題；
電感和變壓器都采用Litz線多股繞制，減小高頻電阻損耗，線包層數需要控制在三層以内；
利用高溫印制闆将磁芯中柱和線包隔開3mm-5mm的距離，使得自然風既能冷卻外部線包和磁芯，又能冷卻内部線包和磁芯中柱。
最高效率在額定700V輸入和500V輸出條件下超過98.4%。滿載條件下效率為97.7%。該效率測試包括輔助電源的損耗。
此圖為500V/20A輸出半載條件下的波形和效率，最高效率達到98.4%。 工作在諧振頻率200KHZ。
此圖為500V/35A輸出滿載條件下的波形和效率，最高效率達到98.2%。 工作在諧振頻率200KHZ。
此圖為550V/35A輸出滿載條件下的波形和效率，最高效率達到97.7%。 工作頻率為180KHZ，小于諧振頻率。
此圖為400V/35A輸出般載條件下的波形。 工作頻率260KHZ，大于諧振頻率。在300V輸出電壓下工作頻率将達到400KHZ。
給出了實際測試滿載20KW(550V/35A輸出）工作下主要器件（MOSFET，二極管，變壓器和電感）溫度，測試環境問題為30度，測試采用風冷散熱，變換器沒有外殼處于開放式工作狀态。實測碳化矽MOSFET工作殼溫低于70攝氏度。
方案研究了基于新一代1000V碳化矽MOSFET軟開關LLC諧振DC/DC全橋變換器, 工作頻率範圍為150KHZ至400KHZ的20KW諧振變換器證明了碳化矽MOSFET能簡化高壓輸入隔離DC/DC變換器拓撲且具備高效能、高可靠性等明顯優勢，适合應用在中大功率新能源領域。
其主要特點如下：
碳化矽MOSFET高阻斷電壓（一般大于1000V)能夠簡化拓撲電路設計，利用傳統Ｈ橋電路設計高輸入電壓（大于600V）隔離變換電路，而不需要三電平等複雜電路，簡化電路和驅動設計。同時每個開關狀态導通損耗降低；
碳化矽體二極管反向恢複時間和電荷遠小于650V矽MOSFET器件的體二極管反向恢複時間和電荷，因此它降低了寄生體二極管反向恢複的開關損耗和噪音，便于實現寬工作頻率工作；
碳化矽MOSFET的Coss小，降低了器件的關斷損耗；
碳化矽MOSFET延遲時間小，可以進一步減小死區提高效率，本方案最高效率達到98.4%；
碳化矽MOSFET驅動電荷Qg隻有矽650VMOSFET的10%，減小了開關驅動損耗，能實現更高頻率工作，該方案最高工作頻率為400KHZ。
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