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基于SiC功率器件的宽输入电压范围开关电源拓扑研究

基于SiC功率器件的宽输入电压范围开关电源拓扑研究

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作者：林希贤西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,经济持续增长推动汽车行业的蓬勃发展。电动汽车由于能极大地缓解能源危机和环境恶化的问题得到了人们的广泛关注。车载DC/DC变换器工作环境恶劣、电压波动大,因此宽输入电压范围车载DC/DC变换器的研究对于提高电动汽车性能至关... 详细信息

近年来,经济持续增长推动汽车行业的蓬勃发展。电动汽车由于能极大地缓解能源危机和环境恶化的问题得到了人们的广泛关注。车载DC/DC变换器工作环境恶劣、电压波动大,因此宽输入电压范围车载DC/DC变换器的研究对于提高电动汽车性能至关重要。由于llc谐振变换器具有软开关特性、电磁干扰低、功率密度高等优点得到了广泛关注。然而,要实现宽输入电压范围,谐振变换器需要在宽开关频率范围内工作。这可能导致软开关特性的丧失使得转换效率降低。本文在上述基础上,计划实现一种在窄开关频率(0.81—1fo)范围内实现宽输入电压范围的高效率谐振变换器。该设计改进了llc拓扑,将Boost和llc谐振变换器级联,同时复用一组桥臂构成复合型llc结构。将变频、移相和脉宽调制三种控制方式进行了有机结合,输入电压由低到高变化时,变换器依次采用变频、移相和脉宽调制,解决了单种控制方式下变换器在宽输入电压范围内效率难以优化的问题。此外,分析了各个调制模式的工作原理和特性,根据推导出的变换器的增益选择了最优切换点。在满足增益要求的情况下,设计优化无源器件的参数来降低损耗,提高效率。同时进行了损耗分析来指导功率器件的选取和效率优化。针对llc谐振变换器小信号建模困难的问题,本文利用等效电路图采用拉普拉斯变换对变换器进行小信号建模,并通过Saber以及SIMPLIS仿真平台验证了建模的准确性。为了满足高功率密度需求,减少芯片外围元件,本文设计了一款适用于宽输入电压范围的控制芯片,内部集成变频、移相、打嗝调制模式模块,通过virtuoso的spectre仿真工具对设计进行了验证,完成了芯片的版图设计,并提取寄生参数后仿,结果和理论相符。接着交付流片后,芯片采用COB封装并设计PCB进行了电路测试。最后,制作了一台输入电压35-120V,输出电压48V,功率150W的原理样机,并进行调试。完成了三种调制模式下关键节点电流及电压的仿真和实验测量,实验证明了复合型llc谐振变换器混合控制方案的可行性以及环路小信号建模的准确性。样机的峰值效率达到了89%,在满足宽输入范围的前提下减少了功率半导体器件的数量,同时谐振频率为800k Hz,高于其他文献,因此样机在低成本和功率密度方面与其它设计相比具有明显优势。

关键词：复合型llc谐振变换器混合控制宽输入电压范围 SiC 小信号建模

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