半導(dǎo)體器件的llc變換器特性研究

半導(dǎo)體器件的llc變換器特性研究

1sic與氮化目前，基于傳統(tǒng)硅（si）裝置的充電機(jī)在重量、體積、噪聲、隔離、電壓表、安全、效率和功率密度等方面面臨著重大挑戰(zhàn)。近年來(lái),以SiC和氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)突破了電力電子器件的瓶頸,將成為未來(lái)功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品通常使用的硬開關(guān)技術(shù)在電路電壓或電流不為零的情況下對(duì)開關(guān)管進(jìn)行開通和關(guān)斷,這會(huì)導(dǎo)致電能損耗大幅度提高。而軟開關(guān)技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了電路在功率器件開通或關(guān)斷前將電流或電壓降低至零,這能夠有效地降低開關(guān)損耗。因此,在高頻、高效的應(yīng)用背景下,軟開關(guān)技術(shù)的研究獲得了廣泛關(guān)注2lc換換器的結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)設(shè)計(jì)2.1諧振頻率的影響圖1為半橋LLC變換器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該變換器主要由3部分組成:半橋逆變器、LLC串并聯(lián)諧振電路和二極管整流及濾波電路。對(duì)于由電容和電感組成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)而言,通常在諧振頻率上呈現(xiàn)最小阻抗,離諧振頻率越遠(yuǎn),諧振電路的阻抗越高。串聯(lián)諧振表達(dá)式為:在串聯(lián)諧振電路中,位于峰值電壓增益點(diǎn)M空載時(shí),f2.2逆變網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的建模圖2為L(zhǎng)LC變換器的電路等效模型,由于基波分析法常用于諧振變換器的設(shè)計(jì),故采用諧波分析法對(duì)此進(jìn)行分析。逆變網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為諧振電路的輸入電壓u傅里葉展開后的基波分量為:由于諧振網(wǎng)絡(luò)為線性,則輸入電流與輸入電壓均為正弦波,故其大小為:式中:I對(duì)應(yīng)的變壓器初級(jí)電壓的基波分量為:因此,等效電阻R簡(jiǎn)化后可得:式中:I對(duì)應(yīng)的直流增益M為:進(jìn)行規(guī)范化后可得:式中:f輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系為:2.3開關(guān)管zvs在LLC變換器中,通過諧振電路可以為開關(guān)管V圖3給出了V綜上所述,要想實(shí)現(xiàn)LLC變換器中開關(guān)管的ZVS,在電壓開始下降時(shí)電流仍為正,即諧振電流需要滯后于電壓,此時(shí)要求輸入阻抗Z式中:Q由式(12)可以看出,當(dāng)φ2.4lc換換器的振興電路參數(shù)設(shè)計(jì)由上一節(jié)可知,在LLC變換器中,諧振電路參數(shù)(激磁電感L2.4.1開關(guān)頻率的選擇目前,基于SiIGBT的變流器通常將開關(guān)頻率設(shè)置為5～20kHz,這是由于目前市場(chǎng)上SiIGBT自身的特性限制采用SiC器件可以提升開關(guān)頻率,但如果開關(guān)頻率非常高,則需要考慮系統(tǒng)中的其他因素,例如開關(guān)管和元件的可用性以及相關(guān)的附加成本、磁芯損耗、電路板布局問題等。因此,綜合考慮上述因素將開關(guān)管從SiIGBT替換成SiCMOSFET模塊,將LLC變換器的f2.4.2中壓壓比n的選擇通常,輸入電壓在最大值和最小值之間時(shí),電壓增益可設(shè)定為M=1,此時(shí)輸入電壓為額定值U2.4.3系數(shù)k和品質(zhì)因數(shù)q的選擇峰值電壓M2.4.4振幅參數(shù)的確定假設(shè)LLC變換器的最大和最小輸入電壓分別為UR諧振參數(shù)(C最小電壓增益對(duì)應(yīng)的最大開關(guān)頻率為:同理,最大電壓增益對(duì)應(yīng)的最小開關(guān)頻率為:LLC變換器設(shè)計(jì)參數(shù):R3sic設(shè)備充電機(jī)平臺(tái)驗(yàn)證3.1軟開關(guān)驗(yàn)證根據(jù)圖1所示LLC充電機(jī)系統(tǒng)電路原理圖,搭建充電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。選用的SiCMOSFET器件為1200V/300ASiC器件。次級(jí)整流二極管采用SiC器件中的反并聯(lián)二極管。圖5～7分別為當(dāng)f由圖5～7可見,當(dāng)變換器的工作區(qū)域?yàn)閒3.2各階段充電電壓圖8為蓄電池的恒流恒壓充電波形,觀察圖中曲線可以看出,充電過程可分為3部分:①測(cè)試階段(恒流充電前階段):在該階段內(nèi),負(fù)載電阻保持恒定值為0.5Ω,此時(shí)負(fù)載電流為20A,充電電壓為10V;②恒流充電階段:該階段開始時(shí),充電電壓小于設(shè)定的指令值40V,因此為恒流充電階段,充電電流維持20A恒定不變,充電電壓隨著負(fù)載電阻的增大逐漸上升,直至達(dá)到設(shè)定的指令值40V時(shí),該階段結(jié)束,即將進(jìn)入恒壓充電階段;③恒壓充電階段:在此階段內(nèi),充電電壓維持40V恒定不變,此時(shí)充電電流隨著負(fù)載電阻的增大而逐漸下降,直至負(fù)載電阻值不發(fā)生變化,此時(shí)充電電流趨于穩(wěn)定。通過對(duì)全SiC充電機(jī)系統(tǒng)的效率進(jìn)行了測(cè)試,在開關(guān)頻率為38.4kHz、輸出輕載的情況下系統(tǒng)效率能夠達(dá)到95.86%。4全sic器件的lc實(shí)驗(yàn)研究SiC器件在軌道交通領(lǐng)域具有重要的意義,通過分析LLC變換器的原理,對(duì)