文獻筆記5---基于無傳感器的Mhz高壓LLC變換器SR技術

前言

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

1 概述

新能源的快速發展，促進了電力電子技術的發展，如今各行各業的發展均考慮節能和降低成本的需求，電力電子設備朝著高頻、高效、高壓、大容量方向發展，800V～1kV直流母線將成為未來技術發展的趨勢，有望在電動汽車、消費電子、艦船、低壓柔性光儲等領域實現高功率密度和高效率。為實現高降壓比和低繞組損耗，矩陣變壓器通常用于高降壓轉換應用。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，考慮到開關頻率為MHz、輸入電壓為kV應用場合下的共模噪聲，能可靠的驅動同步整流管，確保SRs的高效、高可靠性運行。

現有的LLC變換器SR驅動方法可以分為四種：①電流驅動方法，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驅動方案脈絡進行了梳理，逐步引出1kV輸入、1MHz應用下無信號傳感的SR可靠驅動方案，并從實際應用角度進行深入研究。

2 高頻高壓應用的無傳感器SR技術?

通過對現有驅動技術的總結，提出了一種無傳感器檢測的SR數字驅動方案，其思想是通過建立數學模型，計算與工作頻率和負載相關的開通時間和導通時間，從而實現驅動信號的數字自適應調整。實現過程如圖2所示。

該思想利用輸出電壓、輸出電流和原邊驅動信號產生精準的SR驅動信號。SR的開通時刻由原邊開關管決定，關斷時刻由導通時間決定。導通時間隨開關頻率和負載條件的變化而變化。因此，建立SR驅動信號與原邊驅動信號和負載情況之間的數學模型。框圖由輸入信號處理模塊、預測模型模塊、邊界模塊和輸出模塊組成，如圖2a所示。所提出的SR驅動方案的主要目的是優化穩態時的效率，并在瞬態期間將互補控制作為聯鎖機制應用于SR，以確保安全性。驅動方案的實現如圖3b所示。輸出電壓Vo和輸出電流Io被采樣到模數轉換器ADC1和ADC2中，以確定負載情況。由于原邊開關管的脈沖寬度調制信號是由微控制器給出的，故工作頻率是已知的。通過對輸入信號進行數字化處理得到驅動信號，其采樣頻率與中斷頻率相同。根據每次采樣輸出電壓和電流，相應地計算導通時間。為避免輸出端短路，增加了一種模擬保護，一旦超過保護限值，EPWM的trip-zone被觸發，當所有功率器件的門極驅動器關閉時，所有EPWM輸出低電平。

（1）下諧振區和諧振頻率處，導通時刻和導通時間計算式如下

根據上式，可以得到不同輸入電壓與導通時間的理論關系，如圖3所示。

（2）上諧振區，同步整流的關斷時間計算式如下

因此，同步整流的導通時間和關斷時間計算式為

SR方案的計算流程如圖4所示。

1MHz，1kV輸入、32V/3kW輸出LLC拓撲如圖5所示。

3 實驗驗證

為了驗證所提出的無傳感器SR驅動方案，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。為了降低開關管的電壓應力，采用了堆疊橋式結構，3矩陣變壓器原邊串聯副邊并聯。??

1 MHz樣機在不同開關頻率和負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的驅動信號，vds_s6表示SR的漏源電壓。當vds _ s6在零附近時，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驅動技術，適用于高頻高壓應用領域。文中對SR的實現方案進行了詳細闡述，并搭建了1kV輸入、1MHz、32V/3kW實驗樣機，分別對穩態和瞬態情況進行了測試，實驗結果完整，變換器的最大效率可達96%+。為GaN的大功率、高頻高壓應用提供了設計參考，具有非常大的實用價值。