基于高速IGBT的100kHz高壓-低壓DC/DC轉換器

摘要：本文分析了一種基于高速IGBT的軟開關移相全橋帶同步整流的DC/DC轉換器。移相全橋拓撲的軟開關技術是混合動力汽車和電動汽車高壓-低壓DC/DC轉換器的主流關鍵技術。業界早期使用MOSFET作為主功率單元，隨著該DC/DC轉換器的功率需求逐漸增大，基于MOSFET的設計系統效率急劇下降，已經不能滿足應用要求。本文采用英飛凌第三代高速IGBT和快速二極管功率模塊F4-50R07W1H3作為DC/DC轉換器核心主功率單元，采用無核傳感技術的驅動芯片1ED020I12FA2，使開關器件工作在100kHz的軟開關狀態下，用以評估替代超級結場效應管(Super-junction MOSFET)的可行性，為未來更大功率的DC/DC轉換器提供基礎解決方案。實驗表明，在220V到400V的寬范圍內，輸出14V 145A的全范圍效率均可達90%以上，證明第三代高速IGBT是這個未來市場的主流方案之一。

緒論

　　DC/DC變換器是電動汽車、混動汽車等新能源汽車中不可或缺的輔助性電子設備，它取代了傳統汽車原有的發動機通過皮帶帶動的發電機，給車輛電壓12V網絡供電。實現了車輛推進系統和輔助供電系統的分離。為提高整車系統效率提供了便利條件。它的輸入是高壓儲能動力電池系統，輸出是低壓12伏電源網絡，因此叫做高壓-低壓DC/DC變換器(HV-LV DC/DC Converter)，見圖1。該DC/DC變換器通常功率為1~3kW^[1]。

　　零電壓開關的移相全橋是這一應用的通用拓撲^[2-3]。這一拓撲結構見圖2，其優點是通過移相調制利用系統寄生參數(變壓器漏感L_leak和開關器件輸出電容C_oss)，而且這一軟開關拓撲工作在定頻的開關頻率下，非常有利于器件寄生參數選取。

　　典型的用于電動汽車與混合動力汽車的移相全橋轉換器要求如下：高壓輸入來自于高壓電池組，電壓大約200V到400V;輸出部分連接低壓電池和弱電負載，電壓14V左右。表1給出該DC/DC轉換器的典型指標。基于100kHz的開關頻率和輸入電壓范圍指標，目前這個應用的多數開關器件都是超級結場效應管(Super-junction MOSFET) ^[4]。IGBT原本多用于1kHz到20kHz的開關頻率應用。隨著結構的改進，開關損耗降低，高速IGBT逐漸在更高的開關頻率得以應用。本文根據這一前沿趨勢，研究這種改進的高速IGBT在高壓到低壓DC/DC中的100kHz開關應用。

　　本文結構如下：第一章論述高頻開關工作的IGBT現狀;第二章論述該高壓到低壓DC/DC轉換器的具體設計方案;第三章展示實驗結果，包括開關細節波形和效率測試。

1 高頻開關工作的IGBT技術

　　超級結技術的MOSFET基于電荷補償原理，早在1998年就進入市場^[5]，在600V耐壓級別的應用范圍里形成一場革命。其最重要的優點是它在寄生二極管的有源層中采用了垂直PN細條的三維結構，它能維持相同的阻斷電壓，但是由于減小了垂直PN條的寬度，導通電阻得以成比例的減小。采用這個方法，單位面積導通電阻可降低5-10倍。在超級結技術產生之前，在600V耐壓級別應用領域不可避免地會使用具有優良導通損耗的IGBT。而限于IGBT特有的拖尾電流和由此導致的開關損耗，開關頻率始終在20kHz以下。兩種當時主流的IGBT(PT和NPT)都存在這種拖尾電流^[6] 。

　　改變這一現象的標志性技術進步由溝槽柵場終止結構IGBT(英飛凌制造)和軟穿通結構IGBT(ABB制造)實現^[7]。溝槽柵場終止結構IGBT誕生于2000年^[8]，改進了IGBT的關斷拖尾電流波形。其后溝槽柵場終止結構IGBT基于不同的應用場合被進一步優化。優化的IGBT工作在20kHz到40kHz的開關頻率應用于電焊機、太陽能逆變器和UPS方面^[9]。英飛凌于2010年發布了為高頻硬開關優化的600V溝槽柵場終止結構IGBT，又在2012年發布了一系列用于不同應用領域的溝槽柵場終止結構IGBT^[10-11]。這些新型IGBT的誕生，為本文的100kHz開關移相全橋拓撲提供了基礎條件。