文献笔记5---基于无传感器的Mhz高压LLC变换器SR技术

前言

随着第三代宽禁带器件技术成熟，电源朝着大容量、高频、高压、高效方向发展。为了提高功率密度，电源的工作频率逐渐被提高，可达到Mhz开关频率。对于输入1kV的1MHz LLC变换器，功率开关采用GaN，其开关速度高达6ns，造成dv/dt高达200kV/μs，这对同步整流（SR）技术提出了严峻的挑战。已有学者提出了一种适用于高压的无传感器模型的SR驱动方案。

1 概述

新能源的快速发展，促进了电力电子技术的发展，如今各行各业的发展均考虑节能和降低成本的需求，电力电子设备朝着高频、高效、高压、大容量方向发展，800V～1kV直流母线将成为未来技术发展的趋势，有望在电动汽车、消费电子、舰船、低压柔性光储等领域实现高功率密度和高效率。为实现高降压比和低绕组损耗，矩阵变压器通常用于高降压转换应用。具有成对SR的多变压器绕组被接受以获得大电流能力。因此，考虑到开关频率为MHz、输入电压为kV应用场合下的共模噪声，能可靠的驱动同步整流管，确保SRs的高效、高可靠性运行。

现有的LLC变换器SR驱动方法可以分为四种：①电流驱动方法，②低压漏源电压检测，③高压传感检测，④无传感器方法，原理如图1所示。

文中对不同类型的SR驱动方案脉络进行了梳理，逐步引出1kV输入、1MHz应用下无信号传感的SR可靠驱动方案，并从实际应用角度进行深入研究。

2 高频高压应用的无传感器SR技术

通过对现有驱动技术的总结，提出了一种无传感器检测的SR数字驱动方案，其思想是通过建立数学模型，计算与工作频率和负载相关的开通时间和导通时间，从而实现驱动信号的数字自适应调整。实现过程如图2所示。

该思想利用输出电压、输出电流和原边驱动信号产生精准的SR驱动信号。SR的开通时刻由原边开关管决定，关断时刻由导通时间决定。导通时间随开关频率和负载条件的变化而变化。因此，建立SR驱动信号与原边驱动信号和负载情况之间的数学模型。框图由输入信号处理模块、预测模型模块、边界模块和输出模块组成，如图2a所示。所提出的SR驱动方案的主要目的是优化稳态时的效率，并在瞬态期间将互补控制作为联锁机制应用于SR，以确保安全性。驱动方案的实现如图3b所示。输出电压Vo和输出电流Io被采样到模数转换器ADC1和ADC2中，以确定负载情况。由于原边开关管的脉冲宽度调制信号是由微控制器给出的，故工作频率是已知的。通过对输入信号进行数字化处理得到驱动信号，其采样频率与中断频率相同。根据每次采样输出电压和电流，相应地计算导通时间。为避免输出端短路，增加了一种模拟保护，一旦超过保护限值，EPWM的trip-zone被触发，当所有功率器件的门极驱动器关闭时，所有EPWM输出低电平。

（1）下谐振区和谐振频率处，导通时刻和导通时间计算式如下

根据上式，可以得到不同输入电压与导通时间的理论关系，如图3所示。

（2）上谐振区，同步整流的关断时间计算式如下

因此，同步整流的导通时间和关断时间计算式为

SR方案的计算流程如图4所示。

1MHz，1kV输入、32V/3kW输出LLC拓扑如图5所示。

3 实验验证

为了验证所提出的无传感器SR驱动方案，搭建了1-MHz的LLC谐振变换器，输入电压为0.9～1.1kV。主电路如图5所示。为了降低开关管的电压应力，采用了堆叠桥式结构，3矩阵变压器原边串联副边并联。

1 MHz样机在不同开关频率和负载条件下的波形如图6所示。其中，vAB表示谐振槽电压，iLr表示谐振电流，vgs_s6表示SR的驱动信号，vds_s6表示SR的漏源电压。当vds _ s6在零附近时，副边电流为正。

不同输入电压下的效率如图7所示。

该文所提出LLC变换器无传感器SR驱动技术，适用于高频高压应用领域。文中对SR的实现方案进行了详细阐述，并搭建了1kV输入、1MHz、32V/3kW实验样机，分别对稳态和瞬态情况进行了测试，实验结果完整，变换器的最大效率可达96%+。为GaN的大功率、高频高压应用提供了设计参考，具有非常大的实用价值。