前言

隨著第三代寬禁帶器件技術(shù)成熟，電源朝著大容量、高頻、高壓、高效方向發(fā)展。為了提高功率密度，電源的工作頻率逐漸被提高，可達(dá)到Mhz開關(guān)頻率。對于輸入1kV的1MHz LLC變換器，功率開關(guān)采用GaN，其開關(guān)速度高達(dá)6ns，造成dv/dt高達(dá)200kV/μs，這對同步整流（SR）技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。已有學(xué)者提出了一種適用于高壓的無傳感器模型的SR驅(qū)動(dòng)方案。

目錄

1 概述

2 高頻高壓應(yīng)用的無傳感器SR技術(shù)?

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4 參考文獻(xiàn)

1 概述

新能源的快速發(fā)展，促進(jìn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展，如今各行各業(yè)的發(fā)展均考慮節(jié)能和降低成本的需求，電力電子設(shè)備朝著高頻、高效、高壓、大容量方向發(fā)展，800V～1kV直流母線將成為未來技術(shù)發(fā)展的趨勢，有望在電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子、艦船、低壓柔性光儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高功率密度和高效率。為實(shí)現(xiàn)高降壓比和低繞組損耗，矩陣變壓器通常用于高降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用。具有成對SR的多變壓器繞組被接受以獲得大電流能力。因此，考慮到開關(guān)頻率為MHz、輸入電壓為kV應(yīng)用場合下的共模噪聲，能可靠的驅(qū)動(dòng)同步整流管，確保SRs的高效、高可靠性運(yùn)行。

現(xiàn)有的LLC變換器SR驅(qū)動(dòng)方法可以分為四種：①電流驅(qū)動(dòng)方法，②低壓漏源電壓檢測，③高壓傳感檢測，④無傳感器方法，原理如圖1所示。

文中對不同類型的SR驅(qū)動(dòng)方案脈絡(luò)進(jìn)行了梳理，逐步引出1kV輸入、1MHz應(yīng)用下無信號傳感的SR可靠驅(qū)動(dòng)方案，并從實(shí)際應(yīng)用角度進(jìn)行深入研究。

2 高頻高壓應(yīng)用的無傳感器SR技術(shù)?

通過對現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)技術(shù)的總結(jié)，提出了一種無傳感器檢測的SR數(shù)字驅(qū)動(dòng)方案，其思想是通過建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與工作頻率和負(fù)載相關(guān)的開通時(shí)間和導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號的數(shù)字自適應(yīng)調(diào)整。實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

該思想利用輸出電壓、輸出電流和原邊驅(qū)動(dòng)信號產(chǎn)生精準(zhǔn)的SR驅(qū)動(dòng)信號。SR的開通時(shí)刻由原邊開關(guān)管決定，關(guān)斷時(shí)刻由導(dǎo)通時(shí)間決定。導(dǎo)通時(shí)間隨開關(guān)頻率和負(fù)載條件的變化而變化。因此，建立SR驅(qū)動(dòng)信號與原邊驅(qū)動(dòng)信號和負(fù)載情況之間的數(shù)學(xué)模型。框圖由輸入信號處理模塊、預(yù)測模型模塊、邊界模塊和輸出模塊組成，如圖2a所示。所提出的SR驅(qū)動(dòng)方案的主要目的是優(yōu)化穩(wěn)態(tài)時(shí)的效率，并在瞬態(tài)期間將互補(bǔ)控制作為聯(lián)鎖機(jī)制應(yīng)用于SR，以確保安全性。驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)現(xiàn)如圖3b所示。輸出電壓Vo和輸出電流Io被采樣到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1和ADC2中，以確定負(fù)載情況。由于原邊開關(guān)管的脈沖寬度調(diào)制信號是由微控制器給出的，故工作頻率是已知的。通過對輸入信號進(jìn)行數(shù)字化處理得到驅(qū)動(dòng)信號，其采樣頻率與中斷頻率相同。根據(jù)每次采樣輸出電壓和電流，相應(yīng)地計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間。為避免輸出端短路，增加了一種模擬保護(hù)，一旦超過保護(hù)限值，EPWM的trip-zone被觸發(fā)，當(dāng)所有功率器件的門極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，所有EPWM輸出低電平。

（1）下諧振區(qū)和諧振頻率處，導(dǎo)通時(shí)刻和導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算式如下

根據(jù)上式，可以得到不同輸入電壓與導(dǎo)通時(shí)間的理論關(guān)系，如圖3所示。

（2）上諧振區(qū)，同步整流的關(guān)斷時(shí)間計(jì)算式如下

因此，同步整流的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間計(jì)算式為

SR方案的計(jì)算流程如圖4所示。

1MHz，1kV輸入、32V/3kW輸出LLC拓?fù)淙鐖D5所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的無傳感器SR驅(qū)動(dòng)方案，搭建了1-MHz的LLC諧振變換器，輸入電壓為0.9～1.1kV。主電路如圖5所示。為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，采用了堆疊橋式結(jié)構(gòu)，3矩陣變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)。??

1 MHz樣機(jī)在不同開關(guān)頻率和負(fù)載條件下的波形如圖6所示。其中，vAB表示諧振槽電壓，iLr表示諧振電流，vgs_s6表示SR的驅(qū)動(dòng)信號，vds_s6表示SR的漏源電壓。當(dāng)vds _ s6在零附近時(shí)，副邊電流為正。

不同輸入電壓下的效率如圖7所示。

該文所提出LLC變換器無傳感器SR驅(qū)動(dòng)技術(shù)，適用于高頻高壓應(yīng)用領(lǐng)域。文中對SR的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并搭建了1kV輸入、1MHz、32V/3kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，分別對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完整，變換器的最大效率可達(dá)96%+。為GaN的大功率、高頻高壓應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考，具有非常大的實(shí)用價(jià)值。

4 參考文獻(xiàn)

[1] A Sensorless Model-Based Digital Driving Scheme for Synchronous Rectification in 1-kV Input 1-MHz GaN LLC Converters

聲明：本貼推送內(nèi)容為個(gè)人學(xué)習(xí)文獻(xiàn)的筆記，僅作為學(xué)習(xí)交流目的，不得用于其它用途。由于個(gè)人水平有限，如有不足，請包涵。未經(jīng)允許不得轉(zhuǎn)載。