采用 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源,低成本 LLC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)指南

本文檔 “Designing an Isolated Gate Driver Power Supply with LLC Topology” 主要介紹了采用 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源的相關(guān)內(nèi)容，包括 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、具體設(shè)計(jì)方案、變壓器設(shè)計(jì)、整流二極管選擇等方面，旨在為 IGBT 和 Si/SiC MOSFET 器件的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供低成本 LLC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)指南，適用于汽車和工業(yè)應(yīng)用，如電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、車載充電器和并網(wǎng)逆變器等。
*附件：低成本 LLC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)指南1.0.pdf

1. LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
   • 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢 ：現(xiàn)代大功率系統(tǒng)對隔離電壓和繞組間電容有更高要求，諧振拓?fù)洌↙LC）利用漏感，可使用松耦合變壓器，減少繞組間電容和變壓器尺寸，提高效率和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。
   • 工作原理 ：半橋初級側(cè) MOSFET 和半橋次級側(cè)整流器適用于低功率應(yīng)用。LLC 轉(zhuǎn)換器通過變壓器、勵(lì)磁電感、漏感和諧振電容等元件，使開關(guān)頻率接近諧振頻率時(shí)，諧振槽阻抗約為 0Ω，實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，當(dāng)滿足一定條件時(shí)可作為直流變壓器工作。
2. 具體設(shè)計(jì)方案
   • 采用 MPQ18913 的設(shè)計(jì)示例 ：以 SiC 器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)為例，使用 MPQ18913 作為半橋變壓器驅(qū)動(dòng)器，具有高開關(guān)頻率和寬輸入電壓范圍，可提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。通過一個(gè)齊納二極管將輸出電壓分成兩路，適用于 IGBT 或 SiC 驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)給出了 LLC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中各元件的選擇和相關(guān)計(jì)算公式，包括開關(guān)頻率、變壓器勵(lì)磁電感、整流二極管、輸出電容、頻率設(shè)定電阻和諧振電容等參數(shù)的計(jì)算方法及注意事項(xiàng)。
3. 變壓器設(shè)計(jì)
   • 磁芯材料選擇 ：為適應(yīng) MPQ18913 的高開關(guān)頻率，磁芯應(yīng)能在高頻下工作，推薦相對磁導(dǎo)率在 100 - 1000 之間的材料，如 P9L、PC50 和 61 材料等。
   • 環(huán)形變壓器設(shè)計(jì)步驟
     1. 確定匝數(shù)比 ：根據(jù)諧振頻率下 LLC 轉(zhuǎn)換器電壓增益等于變壓器匝數(shù)比的關(guān)系，通過公式計(jì)算匝數(shù)比，同時(shí)考慮負(fù)載調(diào)節(jié)，推薦最小匝數(shù)以減小變壓器繞組電阻，公式中涉及輸出電壓下限、整流二極管壓降、電阻性壓降、輸入電壓下限和預(yù)留電壓等參數(shù)，電阻性壓降與負(fù)載電流成正比，對電源負(fù)載調(diào)節(jié)至關(guān)重要。
     2. 選擇窗口尺寸 ：根據(jù)給定匝數(shù)計(jì)算繞組線徑，考慮磁芯隔離電壓要求選擇合適絕緣層厚度的導(dǎo)線，同時(shí)確保環(huán)形磁芯內(nèi)徑能容納繞組，通過相關(guān)公式計(jì)算磁芯內(nèi)徑，公式中涉及匝數(shù)、線徑等參數(shù)。
     3. 選擇磁芯尺寸 ：根據(jù)電感每平方匝和磁芯損耗選擇磁芯尺寸，通過公式計(jì)算電感每平方匝，進(jìn)而確定其他幾何參數(shù)，同時(shí)通過計(jì)算最大磁通密度并結(jié)合磁芯材料供應(yīng)商提供的磁芯損耗密度，確保磁芯損耗在可接受范圍內(nèi)，若損耗密度超過限制，需選擇更大有效面積或更多匝數(shù)的磁芯。
     4. 選擇變壓器骨架 ：選擇適配磁芯和繞組的骨架，確保初級和次級側(cè)引線間爬電距離滿足隔離電壓要求，如 3kV 隔離電壓額定值時(shí)爬電距離≥3.5mm，5kV 時(shí)≥7mm。變壓器制作完成后，可通過短路次級側(cè)測量初級側(cè)漏感，進(jìn)而計(jì)算諧振電容。
   • 平面變壓器設(shè)計(jì)步驟
     1. 確定匝數(shù)比 ：方法與環(huán)形變壓器相同。
     2. 選擇窗口尺寸 ：若采用 6 層 PCB 布局，用中間層形成初級和次級側(cè)，通過公式計(jì)算窗口尺寸，公式涉及匝數(shù)、PCB 走線寬度、走線間距和絕緣間隙等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算絕緣間隙和初級次級側(cè)各方向間的間隙，需考慮 PCB 預(yù)浸材料的介電強(qiáng)度，典型值為 250V/mil。
     3. 確定電感每平方匝 ：可通過特定公式計(jì)算最優(yōu)值，若所選磁芯材料磁導(dǎo)率高，可能需要?dú)庀秮斫档碗姼忻科椒皆选?/li>
     4. 選擇磁芯尺寸 ：根據(jù)總 PCB 厚度選擇磁芯內(nèi)高度，選擇適配 PCB 和線圈的磁芯，通過計(jì)算最大磁通密度并結(jié)合磁芯損耗密度確保磁芯損耗可接受，超出限制時(shí)需調(diào)整磁芯選擇。變壓器制作完成后，同樣可測量漏感并計(jì)算諧振電容。
4. 整流二極管選擇 ：整流二極管的電容和反向電流會(huì)對負(fù)載調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響，小電容有助于改善輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)節(jié)，反向電流隨溫度升高而增加，在重載時(shí)會(huì)加重 LLC 轉(zhuǎn)換器負(fù)載。推薦使用 BAT165 或 PMEG6010CEJ 等型號的整流二極管，它們符合 AEC - Q101 標(biāo)準(zhǔn)，能在一定程度上滿足設(shè)計(jì)要求。

審核編輯 黃宇