基于高速IGBT的100kHz高压-低压DC/DC转换器

摘要：本文分析了一种基于高速IGBT的软开关移相全桥带同步整流的DC/DC转换器。移相全桥拓扑的软开关技术是混合动力汽车和电动汽车高压-低压DC/DC转换器的主流关键技术。业界早期使用MOSFET作为主功率单元，随着该DC/DC转换器的功率需求逐渐增大，基于MOSFET的设计系统效率急剧下降，已经不能满足应用要求。本文采用英飞凌第三代高速IGBT和快速二极管功率模块F4-50R07W1H3作为DC/DC转换器核心主功率单元，采用无核传感技术的驱动芯片1ED020I12FA2，使开关器件工作在100kHz的软开关状态下，用以评估替代超级结场效应管(Super-junction MOSFET)的可行性，为未来更大功率的DC/DC转换器提供基础解决方案。实验表明，在220V到400V的宽范围内，输出14V 145A的全范围效率均可达90%以上，证明第三代高速IGBT是这个未来市场的主流方案之一。

绪论

　　DC/DC变换器是电动汽车、混动汽车等新能源汽车中不可或缺的辅助性电子设备，它取代了传统汽车原有的发动机通过皮带带动的发电机，给车辆电压12V网络供电。实现了车辆推进系统和辅助供电系统的分离。为提高整车系统效率提供了便利条件。它的输入是高压储能动力电池系统，输出是低压12伏电源网络，因此叫做高压-低压DC/DC变换器(HV-LV DC/DC Converter)，见图1。该DC/DC变换器通常功率为1~3kW^[1]。

　　零电压开关的移相全桥是这一应用的通用拓扑^[2-3]。这一拓扑结构见图2，其优点是通过移相调制利用系统寄生参数(变压器漏感L_leak和开关器件输出电容C_oss)，而且这一软开关拓扑工作在定频的开关频率下，非常有利于器件寄生参数选取。

　　典型的用于电动汽车与混合动力汽车的移相全桥转换器要求如下：高压输入来自于高压电池组，电压大约200V到400V;输出部分连接低压电池和弱电负载，电压14V左右。表1给出该DC/DC转换器的典型指标。基于100kHz的开关频率和输入电压范围指标，目前这个应用的多数开关器件都是超级结场效应管(Super-junction MOSFET) ^[4]。IGBT原本多用于1kHz到20kHz的开关频率应用。随着结构的改进，开关损耗降低，高速IGBT逐渐在更高的开关频率得以应用。本文根据这一前沿趋势，研究这种改进的高速IGBT在高压到低压DC/DC中的100kHz开关应用。

　　本文结构如下：第一章论述高频开关工作的IGBT现状;第二章论述该高压到低压DC/DC转换器的具体设计方案;第三章展示实验结果，包括开关细节波形和效率测试。

1 高频开关工作的IGBT技术

　　超级结技术的MOSFET基于电荷补偿原理，早在1998年就进入市场^[5]，在600V耐压级别的应用范围里形成一场革命。其最重要的优点是它在寄生二极管的有源层中采用了垂直PN细条的三维结构，它能维持相同的阻断电压，但是由于减小了垂直PN条的宽度，导通电阻得以成比例的减小。采用这个方法，单位面积导通电阻可降低5-10倍。在超级结技术产生之前，在600V耐压级别应用领域不可避免地会使用具有优良导通损耗的IGBT。而限于IGBT特有的拖尾电流和由此导致的开关损耗，开关频率始终在20kHz以下。两种当时主流的IGBT(PT和NPT)都存在这种拖尾电流^[6] 。

　　改变这一现象的标志性技术进步由沟槽栅场终止结构IGBT(英飞凌制造)和软穿通结构IGBT(ABB制造)实现^[7]。沟槽栅场终止结构IGBT诞生于2000年^[8]，改进了IGBT的关断拖尾电流波形。其后沟槽栅场终止结构IGBT基于不同的应用场合被进一步优化。优化的IGBT工作在20kHz到40kHz的开关频率应用于电焊机、太阳能逆变器和UPS方面^[9]。英飞凌于2010年发布了为高频硬开关优化的600V沟槽栅场终止结构IGBT，又在2012年发布了一系列用于不同应用领域的沟槽栅场终止结构IGBT^[10-11]。这些新型IGBT的诞生，为本文的100kHz开关移相全桥拓扑提供了基础条件。