本白皮書將重點(diǎn)圍繞實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體技術(shù)展開探討。 內(nèi)容主要聚焦于原邊的拓?fù)溥x擇與半導(dǎo)體器件；副邊假定采用低壓硅基 MOSFET ， 并配置為中心抽頭電流倍增器或全橋結(jié)構(gòu)。第一篇已經(jīng)介紹了高壓IBC中的半導(dǎo)體技術(shù)、器件的關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)包括導(dǎo)通損耗、 開關(guān)特性與緩沖電路等。本文將介紹轉(zhuǎn)換器拓?fù)?、系統(tǒng)規(guī)格、轉(zhuǎn)換器損耗等。

轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

諧振式轉(zhuǎn)換器拓?fù)渚哂谐叩墓β拭芏龋?但代價(jià)是在寬輸入或輸出電壓范圍內(nèi)效率降低。 由于高壓 IBC具有固定的輸入輸出電壓比以及對(duì)超高功率密度的需求， 因此諧振拓?fù)浞浅＿m合此類應(yīng)用。

諧振拓?fù)浯嬖诙喾N方案， 本研究將對(duì)其中的三種進(jìn)行探討，如圖1所示。 圖1a展示了一種堆疊式LLC 轉(zhuǎn)換器(sC) ， 其主要優(yōu)勢在于可采用650 V級(jí)別的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高壓IBC。 圖1b所示為單相LLC 轉(zhuǎn)換器( 1pC ) ， 其原邊使用的器件數(shù)量最少。 圖1c展示了一種三相LLC 轉(zhuǎn)換器( 3pC ) ， 它得益于三相拓?fù)涔逃械母?a target="_blank">RMS 電流和電壓紋波， 可縮小元器件的尺寸。

a)sC的原邊

b) 1pC 的原邊

c)3pC 的原邊

圖1.本研究中探討的三種轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓呺娐?/p>

系統(tǒng)規(guī)格

本研究基于仿真結(jié)果對(duì)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。 仿真采用PLECS 軟件平臺(tái)， 基于安森美針對(duì)CJFET和SiC MOSFET 的ElitePower 仿真工具， 以及通用橫向GaN模型。 表1列出了本次仿真所用的高壓IBC規(guī)格參數(shù)。

表1.本次分析中使用的高壓IBC規(guī)格參數(shù)

采用sC和1pC 的高壓IBC系統(tǒng)將拆分為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器 ， 各承擔(dān)一半標(biāo)稱功率(每臺(tái)6kW ) 。 此舉旨在將原邊RMS 電流降至可控水平(詳見轉(zhuǎn)換器物料清單章節(jié)) 。 3pC 方案將通過一臺(tái)12kW 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)換器損耗三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的損耗如圖2所示。

圖2.采用不同原邊開關(guān)器件的 sC系統(tǒng)損耗

sC與1pC 的損耗特性較為相似。 兩者均在約50% 標(biāo)稱功率處出現(xiàn)損耗的躍升。 這是因?yàn)樵谠摴β庶c(diǎn)， 構(gòu)成12 kW 系統(tǒng)的兩個(gè)變換器單元中的第二個(gè)轉(zhuǎn)換單元投入運(yùn)行， 導(dǎo)致磁芯損耗和柵極電荷輔助損耗翻倍。 而3pC 的損耗隨功率增加上升較為平緩， 這得益于三相拓?fù)浔旧硭哂械母蚏MS 電流特性。 然而， 在低功率條件下， 由于所有變壓器和副邊開關(guān)器件持續(xù)運(yùn)行， 其損耗相較于sC和1pC 更高。 這一特性亦可從圖3所示的損耗細(xì)分中得到印證。

圖3.研究的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)損耗分解。上圖顯示3 kW 時(shí)的損耗，下圖顯示 12 kW 時(shí)的損耗。

轉(zhuǎn)換器物料清單 ( BOM )

采用前述三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的12 kW 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的物料清單如表2所示。

盡管1pC 所需的原邊器件數(shù)量最少， 但整體器件總數(shù)最少的方案卻是3pC 。 這得益于三相拓?fù)涔逃械妮^低RMS 電流特性， 不僅減少了副邊器件數(shù)量， 也簡化了變壓器設(shè)計(jì)。

sC每個(gè)轉(zhuǎn)換單元使用兩個(gè)矩陣式變壓器， 整個(gè)12 kW 系統(tǒng)共需四個(gè)變壓器。 每個(gè)變壓器包含八個(gè)基本變壓器單元， 總計(jì)達(dá)32個(gè)單元。 而1pC 的配置則不同：每個(gè)轉(zhuǎn)換器僅需一個(gè)變壓器， 但由于其所需變壓比高于 sC， 該變壓器的單元數(shù)量需翻倍。

而3pC 僅需三個(gè)變壓器， 每個(gè)包含八個(gè)基本單元， 是三種方案中基本變壓器單元數(shù)量最少的。

此外， 在輸出電容需求方面， 3pC 也具有明顯優(yōu)勢。 相比之下， 1pC 所需的電容尺寸過大， 幾乎無法滿足合理設(shè)計(jì)的要求。

表2. 12KW 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)物料清單

結(jié)語

本研究探討的三種半導(dǎo)體技術(shù) ( GaN HEMT 、 SiC MOSFET 、 SiC CJFET ) 在高壓IBC應(yīng)用中表現(xiàn)幾乎一致 。由于諧振拓?fù)涞能涢_關(guān)特性， 它們的開關(guān)損耗差異影響甚微。通過合理選擇勵(lì)磁電感， 可規(guī)避其寄生電容差異帶來的影響。

最后， 各技術(shù)間的損耗差異微乎其微， 因此成本將成為關(guān)鍵決策因素。 CJFET 憑借簡化的器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效制造工藝，在成本效益方面顯著優(yōu)于其他技術(shù)。

相較于sC和1pC ， 3pC 憑借其更低的RMS 電流具有顯著優(yōu)勢， 減少了物料清單中的元件數(shù)量(特別是副邊開關(guān)器件和變壓器組件) 。 這些優(yōu)勢可在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中靈活利用 ——既可用于提升功率密度， 也可通過增大單個(gè)器件尺寸(例如采用更大的變壓器磁芯以降低峰值磁通密度， 從而減少磁芯損耗) 來進(jìn)一步優(yōu)化性能。

上述仿真結(jié)果將通過安森美正在開發(fā)的高壓 IBC硬件實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。