隔離DC-DC：DAB和LLC技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)與基本半導(dǎo)體SiC碳化硅功率器件的賦能作用

BASiC Semiconductor基本半導(dǎo)體一級(jí)代理商傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

1. 緒論：能源變革下的功率轉(zhuǎn)換新范式

在全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化、電氣化轉(zhuǎn)型的宏大背景下，電力電子技術(shù)正經(jīng)歷著一場(chǎng)深刻的架構(gòu)性變革。隨著電動(dòng)汽車（EV）滲透率的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)以及新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能（ESS）需求的爆發(fā)，電網(wǎng)與終端設(shè)備之間的能量交互模式已從傳統(tǒng)的單向流動(dòng)演變?yōu)閺?fù)雜的雙向互動(dòng)。在這一變革中，作為連接高壓直流母線與電池/負(fù)載端的關(guān)鍵紐帶，隔離型DC-DC變換器（Isolated DC-DC Converter）扮演著“終極接口”的核心角色。

1.1 高壓快充與雙向互動(dòng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

當(dāng)前，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施正處于從400V平臺(tái)向800V甚至更高電壓架構(gòu)演進(jìn)的關(guān)鍵窗口期。這一趨勢(shì)旨在通過提高電壓來降低電流，從而減少線纜損耗并縮短充電時(shí)間。然而，電壓等級(jí)的提升對(duì)功率變換器的絕緣耐壓、轉(zhuǎn)換效率以及功率密度提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，V2G（Vehicle-to-Grid）技術(shù)的落地要求車載充電機(jī)（OBC）和地面直流快充樁必須具備雙向功率傳輸能力。這不僅要求變換器在正向充電模式下具備高效的降壓（Buck）特性，還要求其在反向放電模式下具備穩(wěn)定的升壓（Boost）能力，且需在寬電壓范圍內(nèi)保持軟開關(guān)（Soft-switching）運(yùn)行，以降低電磁干擾（EMI）并提升系統(tǒng)壽命。

1.2 第三代半導(dǎo)體的催化效應(yīng)

寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體，特別是碳化硅（SiC）器件的成熟，為突破傳統(tǒng)硅基器件的物理極限提供了可能。SiC MOSFET具備高耐壓、低導(dǎo)通電阻（RDS(on)?）和極低的開關(guān)損耗，使得開關(guān)頻率從傳統(tǒng)的20kHz-50kHz躍升至100kHz-500kHz甚至更高。高頻化直接帶來了磁性元件（變壓器、電感）體積的顯著縮小，從而大幅提升了功率密度（>3kW/L）。

然而，SiC器件極高的開關(guān)速度（dv/dt>100V/ns）也帶來了嚴(yán)重的寄生參數(shù)敏感性、驅(qū)動(dòng)干擾和EMI問題。傳統(tǒng)的離散型（Discrete）設(shè)計(jì)方案在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)顯得力不從心，往往需要漫長(zhǎng)的調(diào)試周期和復(fù)雜的保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

1.3 報(bào)告主旨與結(jié)構(gòu)

傾佳電子楊茜剖析隔離型DC-DC變換器的兩大主流拓?fù)洹p有源橋（DAB）和LLC諧振變換器——的技術(shù)內(nèi)核、優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比及未來演進(jìn)趨勢(shì)。同時(shí)，傾佳電子楊茜重點(diǎn)探討以基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）為代表的國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體企業(yè)，如何通過提供集成了高性能SiC模塊、專用驅(qū)動(dòng)芯片及即插即用驅(qū)動(dòng)板的“全棧式”功率解決方案，解決高頻SiC應(yīng)用的工程痛點(diǎn)，賦能下一代高效能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

2. 隔離型DC-DC變換器的核心拓?fù)浣馕?/p>

在雙向隔離DC-DC變換器的技術(shù)路線之爭(zhēng)中，相移全橋（PSFB）因其副邊整流二極管的反向恢復(fù)問題和滯后臂軟開關(guān)范圍窄的局限性，在雙向應(yīng)用中逐漸被邊緣化。取而代之的是具備全范圍軟開關(guān)潛力的LLC諧振變換器和控制靈活的雙有源橋（DAB）變換器。

2.1 LLC諧振變換器：效率的極致追求

LLC諧振變換器因其卓越的效率表現(xiàn)，長(zhǎng)期以來是服務(wù)器電源和通信電源的首選拓?fù)洹Ｔ陔p向流動(dòng)的需求下，其衍生拓?fù)銫LLC（Capacitor-Inductor-Inductor-Capacitor）應(yīng)運(yùn)而生。

2.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理

傳統(tǒng)LLC拓?fù)溆稍呴_關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振槽路（諧振電感Lr?、勵(lì)磁電感Lm?、諧振電容Cr?）和副邊整流網(wǎng)絡(luò)組成。其核心機(jī)制是利用諧振槽路的阻抗特性隨頻率變化的規(guī)律，通過頻率調(diào)制（FM）來調(diào)節(jié)電壓增益。

原邊零電壓開通（ZVS）： 在開關(guān)管開通前，諧振電流流經(jīng)體二極管，將漏源電壓箝位至零，從而消除開通損耗。這對(duì)于高壓SiC器件尤為重要，因?yàn)楦邏合碌募纳娙輧?chǔ)能（Eoss?=21?Coss?Vds2?）如果以熱量形式釋放，將造成巨大的損耗。

副邊零電流關(guān)斷（ZCS）： 當(dāng)開關(guān)頻率小于諧振頻率時(shí)，副邊整流管（或同步整流MOSFET）在電流自然過零時(shí)關(guān)斷，消除了反向恢復(fù)損耗。

2.1.2 雙向CLLC的對(duì)稱性優(yōu)勢(shì)

為了實(shí)現(xiàn)雙向能量流動(dòng)，CLLC拓?fù)湓诟边呉惨肓酥C振電感和電容，形成對(duì)稱的諧振腔結(jié)構(gòu)。這種對(duì)稱性使得變換器在正向充電和反向放電模式下具有相似的增益曲線，非常適合電池電壓波動(dòng)范圍寬（例如400V平臺(tái)電池從250V到450V變化）的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1.3 技術(shù)瓶頸與挑戰(zhàn)

盡管LLC/CLLC在諧振點(diǎn)附近能實(shí)現(xiàn)超過98%的峰值效率，但其頻率敏感性是一把雙刃劍：

寬范圍調(diào)壓困難： 當(dāng)輸入輸出電壓比偏離變壓器匝比（即增益偏離1）時(shí)，開關(guān)頻率需要大幅偏移。過寬的頻率范圍（例如80kHz-300kHz）給磁性元件的設(shè)計(jì)和EMI濾波器的優(yōu)化帶來了極大困難。

輕載穩(wěn)壓?jiǎn)栴}： 在輕載條件下，LLC的增益對(duì)頻率不敏感，往往需要采用間歇工作模式（Burst Mode），這會(huì)引入低頻紋波和噪聲。

2.2 雙有源橋（DAB）變換器：控制的藝術(shù)

雙有源橋（DAB）變換器由原副邊兩個(gè)全橋電路通過高頻變壓器和輔助電感（或漏感）連接而成。與LLC的頻率調(diào)制不同，DAB主要采用固定頻率的移相控制（Phase Shift Modulation, PSM）。

2.2.1 功率傳輸模型

DAB的功率傳輸由原副邊電壓的相位差?決定，其傳輸功率P可近似表示為：

P=2πfs?LnV1?V2???(1?π∣?∣?)

其中，n為變壓器匝比，V1?,V2?為端口電壓，fs?為開關(guān)頻率，L為等效電感。這種線性可控的功率流特性使得DAB在控制邏輯上比LLC更為直觀和簡(jiǎn)單。

2.2.2 調(diào)制策略的演進(jìn)

單重移相（SPS）： 最基礎(chǔ)的控制方式，僅調(diào)節(jié)原副邊橋臂間的相位。SPS控制簡(jiǎn)單，但在電壓匹配度差（V1?=nV2?）或輕載時(shí)，回流功率（Reactive Power）巨大，導(dǎo)致RMS電流增加，導(dǎo)通損耗劇增，且容易丟失ZVS特性。

多重移相（EPS/DPS/TPS）： 為解決SPS的痛點(diǎn)，業(yè)界發(fā)展出了擴(kuò)展移相（EPS）、雙重移相（DPS）和三重移相（TPS）控制。這些策略通過在電橋內(nèi)部引入額外的內(nèi)移相角，增加了控制自由度，可以優(yōu)化電流波形，擴(kuò)展ZVS范圍，并顯著降低輕載下的環(huán)流損耗。

2.2.3 DAB在寬范圍應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

DAB最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)寬電壓范圍的適應(yīng)能力。通過先進(jìn)的調(diào)制策略，DAB可以在不改變開關(guān)頻率的情況下，實(shí)現(xiàn)極寬的升降壓范圍，這對(duì)于配合800V超充架構(gòu)中不同電壓等級(jí)電池的兼容性至關(guān)重要。此外，DAB天然的模塊化對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其非常適合通過輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）的方式構(gòu)建兆瓦級(jí)固態(tài)變壓器（SST）。

3. DAB與LLC的技術(shù)特征深度橫向評(píng)測(cè)

在選擇“終極對(duì)接”方案時(shí)，工程師必須在效率、控制復(fù)雜度和電磁兼容性之間進(jìn)行權(quán)衡。下表詳細(xì)對(duì)比了兩種拓?fù)涞年P(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：

深度洞察：

效率與范圍的博弈： LLC是“定點(diǎn)打擊”的專家，在額定工況下效率無敵；DAB是“全域覆蓋”的通才，在電壓波動(dòng)劇烈的場(chǎng)景下表現(xiàn)更穩(wěn)健。

SiC的賦能效應(yīng)： SiC器件的引入改變了DAB的競(jìng)爭(zhēng)格局。由于SiC MOSFET極低的Qrr?（反向恢復(fù)電荷）和Coss?，即使在DAB丟失ZVS的硬開關(guān)工況下，其開關(guān)損耗也遠(yuǎn)低于硅基IGBT，這使得DAB的“短板”被大幅補(bǔ)齊，從而使其寬范圍調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)更加凸顯。

4. 隔離DC-DC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著第三代半導(dǎo)體成本的下降和算力的提升，隔離DC-DC技術(shù)正呈現(xiàn)出融合與智能化的新趨勢(shì)。

4.1 拓?fù)淙诤希篖LC-DAB混合架構(gòu)

為了兼得LLC的高效率和DAB的寬范圍，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始探索LLC-DAB混合拓?fù)?/strong>。這種架構(gòu)通常利用DAB副邊的全橋結(jié)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)諧振槽路，或者通過模式切換（Mode Switching）策略，在標(biāo)稱電壓下運(yùn)行LLC模式以獲最高效率，在電壓瞬變或極端比例下切換至DAB模式以維持穩(wěn)壓能力。這種雙模（Dual-Mode）控制策略預(yù)計(jì)將在高端EV充電樁中得到應(yīng)用。