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(kāi)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_(kāi)關(guān)技術(shù)是混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)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(wú)核傳感技術(shù)的驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12FA2，使開(kāi)關(guān)器件工作在100kHz的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，用以評(píng)估替代超級(jí)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(Super-junction MOSFET)的可行性，為未來(lái)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(gè)未來(lái)市場(chǎng)的主流方案之一。

緒論

　　DC/DC變換器是電動(dòng)汽車、混動(dòng)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(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)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(chǔ)能動(dòng)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(jiàn)圖1。該DC/DC變換器通常功率為1~3kW^[1]。

　　零電壓開(kāi)關(guān)的移相全橋是這一應(yīng)用的通用拓?fù)?sup>[2-3]。這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)移相調(diào)制利用系統(tǒng)寄生參數(shù)(變壓器漏感L_leak和開(kāi)關(guān)器件輸出電容C_oss)，而且這一軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涔ぷ髟诙l的開(kāi)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(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車的移相全橋轉(zhuǎn)換器要求如下：高壓輸入來(lái)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)?；?00kHz的開(kāi)關(guān)頻率和輸入電壓范圍指標(biāo)，目前這個(gè)應(yīng)用的多數(shù)開(kāi)關(guān)器件都是超級(jí)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(Super-junction MOSFET) ^[4]。IGBT原本多用于1kHz到20kHz的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用。隨著結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，開(kāi)關(guān)損耗降低，高速IGBT逐漸在更高的開(kāi)關(guān)頻率得以應(yīng)用。本文根據(jù)這一前沿趨勢(shì)，研究這種改進(jìn)的高速IGBT在高壓到低壓DC/DC中的100kHz開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

　　本文結(jié)構(gòu)如下：第一章論述高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)細(xì)節(jié)波形和效率測(cè)試。

1 高頻開(kāi)關(guān)工作的IGBT技術(shù)

　　超級(jí)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(chǎng)^[5]，在600V耐壓級(jí)別的應(yīng)用范圍里形成一場(chǎng)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(gè)方法，單位面積導(dǎo)通電阻可降低5-10倍。在超級(jí)結(jié)技術(shù)產(chǎn)生之前，在600V耐壓級(jí)別應(yīng)用領(lǐng)域不可避免地會(huì)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(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)終止結(jié)構(gòu)IGBT基于不同的應(yīng)用場(chǎng)合被進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化的IGBT工作在20kHz到40kHz的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用于電焊機(jī)、太陽(yáng)能逆變器和UPS方面^[9]。英飛凌于2010年發(fā)布了為高頻硬開(kāi)關(guān)優(yōu)化的600V溝槽柵場(chǎng)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(chǎng)終止結(jié)構(gòu)IGBT^[10-11]。這些新型IGBT的誕生，為本文的100kHz開(kāi)關(guān)移相全橋拓?fù)涮峁┝嘶A(chǔ)條件。