800V 三相输出 LLC DC/DC 谐振转换器
在这篇应用说明中，我们将介绍一种 5 kW 三相输出的 LLC 谐振型 DC/DC 转换器。该转换器采用了碳化硅 (SiC) MOSFET 作为开关元件，并使用了隔离变压器。SiC MOSFET 的击穿电压特性为 1200 V，因此输入电压可以达到 800 V。该转换器在输入电压为 600 V 和 800 V 时，分别采用约 200 kHz 和 160 kHz 的开关频率，这使得隔离变压器和输入输出电容器得以大幅度缩小。然而，SiC MOSFET 在导通时的电阻 RDS(on) 导致的导通损耗并不像硅 (Si) MOSFET 那样小。为了改善这个导通损耗，该设计通过采用三相电路拓扑减少了各个相的电流，从而达到了 5 kW 的输出功率。此外，还实现了一个额外的技术来最小化输入和输出电容器的电容。通过采用具有电流平衡功能的变压器，有效地减少了各个相中最大峰值电流之间的差异。
下面将详细分析这种新型 LLC 转换器的技术特点、关键参数选型、应用实例以及当前面临的技术瓶颈与解决方案。
LLC 转换器概述
LLC 谐振转换器是一种通过谐振电路来实现电能转换的 DC/DC 转换器。它具有以下优点：
高效率：LLC 谐振转换器能够实现高效率的电能转换，因为它通过谐振电路实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），有效降低了开关损耗。
低电磁干扰 (EMI)：由于在开关时的电压和电流是零，因此可以大幅度减少电磁干扰。
紧凑的设计：通过提高开关频率，能够显著减少磁性元件的体积，从而使系统设计更加紧凑。
在这篇文章中，介绍的 800V 三相 LLC 转换器通过采用先进的设计和技术，提升了转换效率，并解决了高功率密度系统中常见的几个挑战。
SiC MOSFET 选型与应用
SiC MOSFET 是一种高效率、高耐压的开关元件。与传统的硅 (Si) MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有以下几个优势：
高击穿电压：SiC MOSFET 的击穿电压可达到 1200 V，这使得其能够承受较高的输入电压，适用于 800 V 的输入电压系统。
低导通损耗：SiC MOSFET 在高频开关操作下，能够有效降低导通损耗，提高系统效率。
高温性能：SiC MOSFET 可以在更高的温度下工作，这使得其在高功率应用中具有更好的热管理能力。
然而，SiC MOSFET 也存在导通电阻 RDS(on) 相对较高的问题。为了改善这一问题，设计者采用了三相拓扑结构，降低了每相的电流负载，进而减少了每个 MOSFET 的损耗。
三相电路拓扑与电流平衡
采用三相电路拓扑的一个关键优势是，三相电流相互平衡，能够有效减少单相上的电流负荷，从而减小每个开关元件的导通损耗。具体来说，在三相 LLC 转换器中，输入电流被分配到三个不同的相中，每个相的负载电流仅为总电流的三分之一，从而减少了单个 MOSFET 需要承受的电流。
为了进一步优化三相电流的平衡，设计中还采用了具有电流平衡功能的隔离变压器。该变压器能够在三个相之间均匀分配电流，从而减少了相间电流差异，避免了电流不平衡带来的损耗和稳定性问题。
关键参数分析与选型
在设计这种 800V 三相 LLC 转换器时，以下几个参数的选择至关重要：
输入电压范围：由于 SiC MOSFET 的高击穿电压特性，该系统能够承受较高的输入电压（高达 800 V）。因此，变压器和开关元件的选择需要确保其能够在该电压范围内稳定工作。
开关频率：开关频率是影响转换器效率和尺寸的关键参数。设计中采用了 600 V 时约 200 kHz 的开关频率，以及 800 V 时约 160 kHz 的频率，这样可以使得变压器和电容器的尺寸得到有效缩小。
输出功率：设计的目标是实现 5 kW 的输出功率。为了实现这一点，必须确保每个阶段的电流负荷均衡，避免因过大电流导致的 MOSFET 损耗。
电流平衡与磁性元件设计：为了优化电流分配并减少损耗，采用了带有电流平衡功能的隔离变压器。此外，磁性元件的设计需要确保在高频开关下仍能有效地传递能量，并且在高功率密度下避免过热。
应用实例
以一款 5 kW 的三相输出 LLC 转换器为例，假设其输入电压为 800 V，输出电压为 48 V，输出功率为 5 kW。通过采用 160 kHz 的开关频率和三相电路拓扑，能够在保证高效率的同时，显著减小变压器和电容器的体积。该系统能够在最大输出功率 5 kW 下，保持 97.6% 的转换效率。
在实际应用中，这种 800V 三相输出 LLC 转换器可广泛应用于高功率密度的电源系统，如工业自动化设备、电动汽车充电站、数据中心电源、以及其他高效能要求的电力传输系统。
当前技术瓶颈与解决方案
尽管这种新型的三相 LLC 转换器在提高转换效率和功率密度方面取得了显著进展，但仍面临一些技术瓶颈：
MOSFET 导通损耗：SiC MOSFET 的导通电阻相对较高，仍然是提高系统效率的一个瓶颈。未来可以通过采用更先进的 SiC MOSFET 或者优化 MOSFET 封装技术来降低导通损耗。
变压器设计的挑战：随着开关频率的提高，变压器的设计面临更高的频率损耗和磁饱和问题。为了应对这一挑战，研究者可以进一步优化磁性材料和变压器设计，以降低高频损耗。
热管理问题：高功率密度系统中，热管理始终是一个挑战。尽管 SiC MOSFET 在高温下表现良好，但在极端工作条件下，系统仍然需要更好的散热设计。可以考虑采用液冷技术或更高效的散热材料来解决这一问题。
总结
800V 三相输出 LLC 转换器在提高功率密度、转换效率和系统稳定性方面，凭借其创新的设计和技术取得了显著成果。通过合理的参数选型、优化的电流平衡技术以及采用高效率的 SiC MOSFET，系统不仅实现了高效能的电力转换，同时也在尺寸上做出了有效压缩。然而，随着技术的不断进步，如何进一步降低导通损耗、优化变压器设计和提高热管理效率，将是未来发展中的重要课题。
LLC谐振转换器及三相输出电路拓扑的特点：
LLC谐振DC/DC转换器（以下简称“LLC dc/dc”）是利用零电压开关（ZVS）和脉宽调制（PWM）技术的电路设计，能够有效解决开关电源特有的开关损耗问题[1]-[7]。配备ZVS的LLC dc/dc利用由电感和电容（LC谐振）串联产生的自激谐振。由此谐振产生的电流呈伪正弦波形式，从而避免了不期望的电压尖峰。换句话说，配备ZVS和零电流开关（ZCS）的LLC dc/dc不需要额外的电路，因此能够简化电路设计，并解决包括ZVS PWM转换器中的整流二极管反向恢复电流引起的电压尖峰等问题[8]。
LLC谐振转换器的工作原理与优点：
LLC dc/dc工作原理中的自激电流谐振限制了开关器件的工作范围。LLC dc/dc的开关管可以通过高频开关产生较高的谐振频率，扩大输出电压的适用范围[9]。这种设计使得被动元件可以进一步缩小。因此，采用高频开关器件，如SiC MOSFETs、GaN器件和Si MOSFETs，成为LLC dc/dc的理想选择[10]。
高效率的LLC dc/dc设计：
要实现高性能的LLC dc/dc，需要尽量提高功率转换效率。低电压大电流的转换通常会降低效率，因为存在焦耳热损耗。因此，通过并联输出电路并采用较高输入电压以分散大电流，能够有效降低焦耳热损耗。本文采用的三相输出电路拓扑可以将单相电路中的电流减少至总电流的1/3。因此，尽管输入和输出电流的波动可以通过电容吸收，但为了减少ZVS PWM中的电流波动，仍需要使用LC滤波器[11]。
高输入电压下的选择问题：
同时，Si MOSFETs和GaN器件在输入电压较高时并不适用。这是因为它们的允许电压范围较低，尽管开关特性优越。大多数量产的Si MOSFETs和GaN器件的击穿电压（BV）通常低于650V。当这些器件的BV超过650V时，其RDS(on)通常会超过数百毫欧[12]-[13]。此外，为了确保电源系统的安全运行，电源的允许电压范围必须覆盖输入电压。因此，当输入电压超过600V时，Si MOSFETs或GaN器件无法满足常规的允许电压范围。在这种情况下，必须选择多级转换器，以使这些器件能够支持高输入电压。然而，由于需要使用大量的开关器件，控制系统变得复杂，生产成本大幅增加[14]-[18]。
SiC MOSFETs的优势：
与之相比，SiC MOSFETs可以同时满足快速开关速度和高击穿电压（BV）的要求[19]。SiC MOSFETs的这些优势使得可以在高开关速度和高击穿电压的条件下应用高输入电压。因此，由于可以使用更小的电力变压器，使用SiC MOSFETs的LLC dc/dc不仅具有更高的功率转换效率，还能有效实现体积的缩小。
三相输出电路LLC dc/dc的优势：
本文介绍了一种采用SiC MOSFETs（击穿电压为1200V）的三相输出电路LLC dc/dc转换器。使用隔离变压器的三相输出电路具有以下优点：
隔离变压器通常占据电源的大部分体积，但通过超过200 kHz的高频开关，可以显著缩小变压器的体积。
高击穿电压使得输入电压可以达到600V至800V之间。
三相输出电路配置通过减少电路中的最大电流，改善了功率转换效率。
采用平衡技术，优化了三相电路中的电流分配，减少了电路中的最大峰值电流。
通过这些技术，输入和输出电容器得以减小。
通过这种三相输出电路的设计，LLC dc/dc转换器不仅在体积上得到缩小，而且还有效提升了效率和功率密度。在后续章节中，我们将详细介绍该电路的工作原理，并展示实际设备的验证结果。
总结：LLC谐振转换器采用高频开关技术，配合三相输出电路拓扑，能够有效降低开关损耗，提升功率转换效率，并实现体积缩小。在高输入电压下，采用SiC MOSFETs和隔离变压器的三相输出电路配置，进一步提高了转换效率并减少了电容器体积，为现代电力电子设备的设计提供了重要参考。
LLC直流/直流转换器的工作原理和电路配置如下：
图2(a)展示了LLC直流/直流转换器的基本电路结构。该电路采用了一个半桥配置，其中包括两个开关Q1和Q2。Q1和Q2与谐振电感Lr、变压器的磁化电感Lm以及谐振电容Cr串联，形成了一个谐振回路。图中显示的是这些无源元件组合成的交错型电路配置。
Q1和Q2以大约50%的占空比交替开关。在两者都关闭的时段，为避免短路，会设置一个死区时间。这个死区时间内，电路通过软开关方式进行操作，从而减少开关损耗。
图3展示了Q1和Q2的电压和电流波形。图中包括Qk的栅源电压Vgk、漏源电压VQk、漏电流IQk，以及二极管Dok的正向电流IDok（其中k = 1, 2）。这些波形有助于理解开关的工作状态以及二极管的电流特性。
1. 电路操作方法的详细讲解
第一阶段 (t0 - t1)：从Q2关闭到VQ1降到0
这一阶段开始于Q2关闭的时刻。此时，谐振电路中的电感(Lm + Lr)和电容(Cr)之间会发生能量交换，这种能量交换被称为谐振。具体来说，当Q2关闭时，VQ2电压开始上升，因为谐振电感和谐振电容开始储存和释放能量。这段时间内电压的变化是由谐振电路自然产生的，电压的升高会持续到Q1的电压降到0。在这个过程中，电感和电容之间的能量交换是高效且快速的，从而使得Q1的电压能够迅速下降。
