东北大学：150℃半桥式 SiC 高温直流开关电源设计

文章来源：电 工 电 能 新 技 术

作者：杨杰,叶柠,高伟,闫逸伍(东北大学信息科学与工程学院)

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。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、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。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 150℃的高温环境中。

关键词:SiC; 高温; 开关电源; 隔离驱动

1 引言

功率半导体器件是开关电源的核心单元。 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 150℃ ,当温度超过 125℃ 时,其性能将严重降低[1]。 因此在某些特殊应用场景,诸如航空航天、石油钻井平台、新能源汽车等大功率、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。 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 600℃ ,而硅半导体器件理论上最高工作结温仅为 150℃ ;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]。 SiC 的优秀性能决定了其在高温、高频、大功率半导体器件等方面广泛的应用前景。 基于 SiC 材料功率器件研发的开关电源,可以稳定工作于 150℃环境下[3,4]。

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。 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]。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]。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。 这两个问题是不可避免的[6]。

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 150℃环境温度下工作的高温隔离开关电源。 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。 本文所设计的高温直流开关电源系统选择半桥拓扑结构。主要设计指标为:①输入电压Vin:350~500VDC;②输出电压Vout:24VDC;③输 出 功 率: 144W; ④ 开 关 频 率:90kHz;⑤满载效率: > 85% 。

2 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、输出端整流滤波电路、控制电路、隔离驱动模块以及供电模块 5 大部分。 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]。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。 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。 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]。 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。

3 功率逆变电路设计

半桥功率逆变电路如图 2 所示,开关管 Q1 、Q2构成半桥的上下桥臂,通过控制开关管Q1、Q2 的驱动信号使其交替导通,即可将直流Vin逆变为幅值为Vin/ 2 的交流电压,其频率为逆变器开关管的开关频率。 电容C1 、C2 和电阻R1 、R2构成分压电路,因此其分压点的对地电压为输入电压的 1 / 2。 隔直电容Cb 的作用是防止分压不均造成变压器磁通不平衡。

功率逆变电路设计的一个核心问题是功率开关管的选取。 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250V。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 175℃的 1700V/ 40A 的 SiC MOSFET,通过提高整机效率以降低发热,可以满足 150℃ 的环境温度要求[11]。SiC 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]。

4 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。 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]。 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。 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。 隔离驱动模块结构如图 3 所示。

隔离驱动模块初级侧输入输出电压波形对比如图 4 所示。 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。 采用高频调制的目的是尽可能降低脉冲变压器的体积。

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。

隔离驱动模块整体的输入与输出电压波形对比如图 6 所示,下方幅值为 5V 的波形为模块的输入波形,上方 - 5 ~ 20V 的波形为模块的输出波形。

5 供电模块设计

为了保证整个开关电源系统的正常工作,整个系统的供电模块也是特别重要的一部分。 整个高温开关电源系统的供电模块分为系统的启动电路和稳态供电电路。 其中启动电路的作用是在开关电源系统开机时为芯片电路(包括 PWM 控制芯片和隔离驱动模块)提供能量使其工作,从而使电源系统运行起来,建立起完整的环路[17]。稳态供电电路的作用是待开关电源完整闭合环路建立起来后,不再需要启动电路从输入端取电为其提供能量,由稳态工作电路抽取自身环路中的部分能量为芯片电路供电。 此时开关电源系统只有一路输入和一路输出,再无其他能量接入。

为了便于区分描述,将开关电源系统输出低压的 GND 称为 LGND,系统前级输入高压的 GND 称为 HGND。 在本文中使用的是副边控制隔离驱动直接反馈技术,PWM 控制电路在功率变压器次级侧,以便输出端采样电压直接接在控制电路反馈端上,因此 PWM 控制电路与 LGND 共地。 启动电路从开关电源的输入端取电,因此启动电路与 HGND 共地,因此需要解决启动电路为 PWM 控制电路隔离供电的问题。

为了解决系统开机上电瞬间 PWM 控制芯片的供电以及整体隔离反馈问题,本文所设计的开关电源隔离供电结构如图 7 所示。 在本设计中包括一个额外的隔离供电辅助电源,该辅助电源使用了隔离反激结构,其输入为启动电路的输出电压以及系统功率变压器的辅助绕组整流滤波后的输出电压;输出分为两路[18],分别为PWM控制电路和隔离驱动模块初级侧供电,解决系统初始上电时刻从输入端取电为后级 PWM 控制芯片供电时隔离的问题。

启动电路结构如图 8 所示。 输入电压经电阻1 和 R2 分压后进入 MOSFET 与电阻 R3 构成源级跟随器。 稳压二极管 D1 对 Q1 的栅极提供钳位保护。 源级跟随器为后续电路提供启动电流,其输出端同时与主功率变压器辅助绕组的输出端连接在一起。 当电路进入稳定状态,辅助绕组的输出电压达到设定值后打开 MOSFET Q2 ,关断启动电路,系统自动切换为辅助绕组供电。

6 测试结果及分析

基于上述电路设计,制作了半桥开关电源原型系统,如图 9 所示。 除了采用耐高温的 SiC 功率MOSFET,电路中所使用的主动和被动电路元件均采用高温器件,并利用高温电子封装技术将整个电源的工作温度提高到 150℃ 。 在原型系统制作完成后,在常温(25℃ )及高温(150℃ )环境下对原型系统进行了测试。

图 10 和图11分别为常温和高温环境下额定功率下输出电压 Vout、效率η与输入电压Vin对应关系。由图 10、图11可知,无论在常温还是高温环境下,输入电压Vin从350V升至500V 的过程中,输出电压 Vout的上升量均不到 0. 04V。 由此可以计算出电源调整率小于 0. 17% ,可见直接反馈方式对于提高输出电压的精确度和稳定性有非常良好的效果。 在常温下,随着输入电压从 350V 提高到 500V,效率从88. 8% 降低到 87. 8% ,这是因为输入电压提升会增大 MOSFET 以及整流二极管的开关损耗。 在高温下,效率会进一步降低,在 350V 和 500V 输入电压下效率分别为 88. 5% 和 87% ,这是由高温下更高的MOSFET 导通损耗和变压器损耗导致的。

图 12、图 13 分别为常温、高温环境下系统在输入 350V 时输出电压 Vout、效率 η 与负载电阻 Rload对应关系曲线。 由图 12、图 13 可知 Vin为 350V 时,无论在常温还是高温环境下,随着输出电流的下降,输出电压 Vout上升量均不到 0. 5V,此时负载调整率为2. 1% ,该负载调整率反映了负载从满载下降到 1 / 6满载之间的调整率。 效率随负载的变轻会出现较为明显的下降,这是由于半桥开关电源内辅助反激电源与驱动模块会消耗一定的功率,该部分功率损耗基本不随输出及负载变化而出现较大变化,因此当输出功率下降时,输出功率在输入功率的占比会呈现一定的下降。

7 结论

为解决极限环境下开关电源的应用问题,本文设计了一个基于 SiC 器件的高温直流开关电源,提出了基于隔离驱动的直接反馈方式取代传统光电耦合器件隔离方式,在保证了电源系统输入输出之间高低压前后隔离的同时,又提高了反馈的速度与精度。 进一步采用 SiC MOSFET 功率器件和 HTSOI 高温技术,结合高温磁性材料以及高温电路封装工艺,完成了原型系统的制作和测试。 测试结果表明在150℃环境温度下开关电源原型系统可以正常工作并满足设计指标,这对于开关电源系统在极限环境下的应用具有重要意义。

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来源：SIC碳化硅MOS管及功率模块的应用

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