【应用】瞻芯电子20kW全碳化硅升压变换器参考设计，峰值效率达99.4%

时间： 2021-04-23 来源：瞻芯电子

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SiC MOSFET,SiC二极管,IV1Q12080T4,IV1D12010T3

高压BOOST转换器广泛应用于新能源以及能源电池等领域，包括太阳能前级升压，高压电池充电以及不间断电源直流母线电压调节等。当总线电压高于600V时，目前主要是使用IGBT和SiC二极管的开关组合方式进行升压变换的。然而由于受IGBT开关频率的限制，控制电流的开关管频率难于超过20kHZ。而SiC （碳化硅）MOSFET在高频和高压工况下，具有比IGBT优越的开关特性，它的开关频率可以轻易推到65kHZ或更高，并取得更好的效率，同时也减少BOOST主电感体积、以及EMI滤波器散热器的体积。本文中瞻芯电子介绍的参考设计是一个20kW升压电路，通过对它的效率，波形等的测试，来验证和展示优越SiC MOSFET的开关特性。本设计是一个两相交错式Boost电路，每相使用两颗SiC MOSFET并联以及两颗SiC 二极管并联，通过这种并联的方式使得SiC MOSFET以及SiC二极管可用于更大功率的场合。

设计参数

下表为20kW交错式DC-DC升压电路的参数说明：

设计尺寸和电源引脚

20kW交错式DC-DC升压电路设计尺寸以及主电路电源输入输出引脚分别如图3-1、3-2所示，设计尺寸为：220x 200 x 70 mm3。

电气特性

20kW交错式DC-DC升压电路的拓扑结构如图4-1所示，包含了两路BOOST电路，其中每路BOOST电路的功率为10kW。每一路BOOST电路包含有两颗SiC MOSFET—IV1Q12080T4以及两颗SiC Diode—IV1D12010T3，使用的碳化硅二极管具有较低的导通电压以及零反向恢复特性。20kW BOOST电路的PCB具有以下三个部分：第一部分，BOOST电路的控制板卡。第二部分是BOOST电路的辅助电源板卡，为控制芯片、驱动电路以及风扇进行供电。第三部分是交错式BOOST电路的主电路，主电路由EMI滤波器，两路交错式的Boost变换器组成，每一支路用两个并联的SiCMOSFET以及两个并联的SiC 二极管。

板块组成

20kWDC-DC升压电路具有两路交错并联的BOOST电路，由控制板块、辅助电源板块、驱动电路模块以及主电路等部分组成，具体如图5-1所示，从左至右分别是：EMI输入滤波部分，BOOST主电感，辅助电源板卡，输出稳压电容，散热器部分，控制板卡等部分。具体设计可参考附录中给出的原理图设计。

该板卡的插座引脚是根据TI公司生产的DSP板卡TMDSCNCD280049C而设计的，它可插TI的DSP板卡，也可插由瞻芯电子生产的控制卡F280049C，或者混合控制卡（ST Micro Controller + FPGA）。板卡分别如图5-2和5-3所示。

辅助电源板卡是由UCC28740芯片控制电路所组成的，通过控制反激电路产生辅助电源。电源板卡是瞻芯电子一款参考设计，主开关是1200V SiC MOSFET，电源板卡可输入最高为1000V，最大输出功率为20W。从输入电源通过反激电路产生两路电源分别是5V电源——用于提供控制板卡以及驱动电路的电源，12V电源——用于提供风扇的电源。SiC MOSFET的门级驱动信号是使用的是由瞻芯电子自主研发的型号为IVCR1401的驱动芯片，是一款在8管脚封装集成负压驱动，并提供所有必需的保护和通信功能的碳化硅MOSFET栅极驱动芯片，具有更快的开关速度，新型碳化硅MOSFET专用栅极驱动芯片内部集成了负压电路，在无需外加负压电源的情况下，可以完成输出负压驱动提供更多的噪声裕量，使系统更稳定运行于各种复杂的应用环境，集成的过饱和/过流保护功能，响应时间仅有数百纳秒，可以更及时的保护碳化硅器件在各种干扰甚至短路情况下不损坏，同时将侦测到的错误信号向控制器汇报，新型碳化硅MOSFET栅极驱动芯片还内置了5V电源给隔离器供电，简化了配合隔离器芯片的电路设计。IVCR1401门级驱动电路示意图如图5-2。

主电路是由两路BOOST电路交错并联组成，其中每路BOOST使用两颗SiC MOSFETIV1Q12080T4并联以及SiC DIODEIV1D12010T3并联组成。

测试数据

1、效率曲线

20kW交错式DC-DC升压电路的每一路在1kW至10kW的测量效率曲线如图所示，输入电压为600V直流输入，输出电压为800V直流输出，20kW交错式DC-DC升压电路的最高转换效率达到99.4%以上，效率曲线如图6-1所示。

2、开关波形

20kW交错式DC-DC升压电路在20kW工作状态下，SiC MOSFETQ1的开关波形以及电感电流波形如下图所示，其中图6-2中ID（绿色）为升压电感电流，VGS（紫色）为SiC MOSFET的驱动波形，VDS（蓝色）为SiC MOSFET的栅漏电压波形。图6-3（a）为20kW下SiC MOSFET的导通波形，图6-3（b）为20kW下SiC MOSFET的关断波形。

3、温升曲线

20kW交错式DC-DC升压电路的每路在1kW至10kW时工作的温升情况如图6-4所示，输入电压为600V直流输入，输出电压为800V直流输出，从温升曲线可以看出，即使工作在20kW时，SiC MOSFET的温升也只有15度左右。

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