SiC LLC变换器线性-非线性动态控制与低延时SiC MOSFET驱动器

作     者：姚恺奇 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张之梁

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：SiC器件 LLC变换器 线性-非线性动态控制 栅极驱动器 

摘      要：高压母线目前广泛应用于船舶、高压系留无人机等场合以减小传输线损耗及线缆重量。相比于传统硅(Silicon,Si)器件,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)器件禁带宽度高,热导率更高,且性能系数(Figure of Merit,FOM)更低,能实现更高的开关频率,更适用于1-k V高压应用场景。LLC谐振拓扑能够实现一次侧开关器件的零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)和二次侧整流器件的零电流关断(Zero Current Switching,ZCS),易于实现高效率与高功率密度。雷达脉冲式负载要求变换器在空载与满载之间切换时保证低输出电压波动和短响应时间,进一步以确保正常工作。传统线性控制的动态响应速度受限于线性控制器的带宽和变换器的开关频率,难以达到雷达脉冲式负载的动态响应要求。针对1 k V高压母线应用背景,本文设计了基于SiC器件的LLC谐振变换器,变换器样机采用数字控制平台,具体参数为输入电压900 V～1100 V,输出电压48 V,满载功率6.6 k W,满载效率最高达95.64%,整机重量4.2 kg,功率密度达到46.8 W/in。为满足雷达脉冲式负载对LLC变换器低输出电压波动和高动态响应速度的需求,本文提出了一种线性-非线性混合动态控制策略,其根据空载切满载时的负载状态,计算控制信号初始频率与首周期信号占空比,使LLC变换器状态工作点以最短调节时间和最小输出电压跌落从空载轨迹切换到满载轨迹。该方法的精确实现基于对状态轨迹的解析几何分析和时间参数方程的求解。该策略在1-k V SiC LLC变换器上进行了实验验证,空载切满载时输出电压跌落2.24 V,调节时间为0.76 ms,相比传统线性频率控制分别减小了18.8%和79.3%。在100 Hz,占空比30%的脉冲式负载条件下,输出电压跌落为2.30 V,超调为1.68 V。针对SiC器件对高频栅极驱动器低传导延迟时间的需求,本文提出了一种低传导延迟时间的SiC栅极驱动器,其利用无延时RC微分电路对输入的脉宽调制(Pulse-Width Modulation,PWM)信号进行微分调制提取边沿窄脉冲信号,利用小体积脉冲变压器对边沿信号进行隔离传输,再由低延时RS触发器将边沿信号解调为原始PWM信号,实现低延时的信号隔离传输。对应实验样机在400 k Hz的工作频率下,上升沿传导延迟时间为49.6 ns,下降沿传导延迟时间为18.4 ns,相比于同级别延迟时间最短的商业产品降低50%以上。