本方案利用新一代1000V、65毫歐4腳TO247封裝碳化硅(SiC)MOSFET(C3M0065100K)實(shí)現(xiàn)了高頻LLC諧振全橋隔離變換器，如圖所示。由于碳化硅的高阻斷電壓, 快速開關(guān)及低損耗等特點(diǎn), 高壓輸入隔離DC/DC變換器的拓?fù)淇梢缘玫胶喕◤脑瓉淼娜娖胶喕癁閭鹘y(tǒng)全橋拓?fù)洌?。碳化硅MOSFET在軟開關(guān)橋式上具有以下明顯的優(yōu)勢:

1. 高阻斷電壓可以簡化拓?fù)湓O(shè)計(jì),電路從復(fù)雜三電平變?yōu)閮呻娖饺珮螂娐?，提高可靠性?/span>

2. 由于拓?fù)?/span>簡化，采用硅基650V MOSFET的方案在每個(gè)開通時(shí)刻有兩顆MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，所以實(shí)際等效導(dǎo)通損耗會(huì)比采用全橋拓?fù)涞?000V碳化硅MOSFET要大；

3. 低寄生電容如輸入電容(Ciss),輸出電容(Coss)及反向傳輸電容(Crss)，使得器件快速開關(guān),從而減少關(guān)斷損耗,開關(guān)表現(xiàn)更好并適合用于更高頻開關(guān)變換器；

4. 體二極管具有極低反向恢復(fù)時(shí)間(trr)及反向恢復(fù)電荷(Qrr)從而降低二極管開關(guān)損耗及操聲,便于實(shí)現(xiàn)寬范圍工作；

5. 較短的導(dǎo)通(tdon)及關(guān)斷(tdoff)延遲時(shí)間和低Qrr能承受更短死區(qū)時(shí)間,低死區(qū)時(shí)間可以降低繞組回流損耗；

6. 較低柵極總電荷(Qg)在高頻應(yīng)用上得到更低柵極開關(guān)驅(qū)動(dòng)損耗.
   

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

給出了本設(shè)計(jì)主要參數(shù)指標(biāo)，其中輸出最大電流為35A,輸出電壓范圍在300V-550之間。工作頻率范圍在150KHZ-400KHZ之間。目標(biāo)最高效率超過98.4%，功率密度達(dá)到60瓦/立方英寸。

碳化硅器件包括主開關(guān)MOSFET：C3M0065100K；　輸出碳化硅二極管：C5D50065D;
單端反激Flyback輔助電源的MOSFET：C2M1000170D

方案能廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車充電、通信電源和高壓直流工業(yè)電源等三相隔離變換器中。

本圖比較了15KW市面上量產(chǎn)硅MOSFET方案和本碳化硅MOSFETR的20KW方案的尺寸和拓?fù)?，從結(jié)果上看，該碳化硅MOSFET器件由于自身的高頻高壓以及低體二極管反向恢復(fù)的優(yōu)勢能簡化拓?fù)湓O(shè)計(jì)，提高了隔離DC/DC變換器的功率密度。

方案每個(gè)開關(guān)采用兩顆1000V、65毫歐碳化硅MOSFET(C3M0065100K)并聯(lián)，總共有８顆碳化硅在變壓器原邊，輸出電壓范圍是300V-550V直流，輸出恒定電流為35A。

其中諧振電感采用兩顆8uH的PQ3540串聯(lián)，主變壓器為兩個(gè)PQ6560、Lm=150uH變壓器并聯(lián)。次邊采用恒壓加恒流控制策略實(shí)現(xiàn)全諧振變頻控制。

該圖給出了20KW高效LLC諧振全橋變換器的試驗(yàn)樣機(jī)圖。其中包括有LLC控制反饋電路，輔助電源電路，諧振LLC等無源器件，原邊碳化硅MOSFET散熱器，次邊碳化硅650V二極管散熱器，驅(qū)動(dòng)電路以及兩個(gè)12W風(fēng)扇。　

整體板子尺寸為：275mmX220mmX65mm。

在LLC電路設(shè)計(jì)時(shí)候，一個(gè)重要參數(shù)是諧振點(diǎn)的設(shè)定，設(shè)定好諧振頻率意味著最高效率的確定，這個(gè)需要考慮實(shí)際工作情況以及器件自身特性來決定。

1. 對(duì)于寬輸入輸出電壓的應(yīng)用來說，就是要設(shè)定諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的額定輸入輸出電壓，在此額定輸入輸出電壓下實(shí)現(xiàn)最高效率工作，變換器實(shí)現(xiàn)ZVS開通，關(guān)斷實(shí)現(xiàn)接近ZCS關(guān)斷;

2. 當(dāng)工作在諧振點(diǎn)左面時(shí)，變換器工作在低于諧振頻率的升壓狀態(tài)，輸出二極管實(shí)現(xiàn)零電流ZCS關(guān)斷，碳化硅MOSFET關(guān)斷瞬間主要存在勵(lì)磁電流的較小關(guān)斷損耗。但其主要缺陷原邊勵(lì)磁電流有效值增加，從而在原邊產(chǎn)生環(huán)流損耗，此環(huán)流損耗并不傳輸能量同時(shí)會(huì)在變壓器、電感以及碳化硅MOSFET上產(chǎn)生導(dǎo)通環(huán)流損耗和溫升等問題。這個(gè)損耗與采用碳化硅器件與否沒有直接關(guān)系，即便采用碳化硅MOSFET設(shè)計(jì)環(huán)流損耗還是依然存在的；

3. 當(dāng)工作在諧振點(diǎn)右面時(shí)，變換器工作在高于諧振頻率的降壓狀態(tài)，其特點(diǎn)是高頻率工作可以減小原邊勵(lì)磁電流有效值，從而降低環(huán)流帶來的導(dǎo)通環(huán)流損耗。但此時(shí)碳化硅MOSFET和輸出二極管工作在硬關(guān)斷狀態(tài)，會(huì)增加關(guān)斷損耗。另外，對(duì)于傳統(tǒng)硅器件來講，其體二極管反向恢復(fù)時(shí)間trr一般大于200ns以上，這樣會(huì)產(chǎn)生較大體二極管反向恢復(fù)帶來的開關(guān)損耗和噪音，這是限制硅MOSFET工作在LLC更寬范圍的最主要原因。碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)損耗更低（一般在14ns左右），同時(shí)關(guān)斷速度較快，這就便于變換器更多的工作在高于諧振頻率的范圍內(nèi)工作，實(shí)現(xiàn)寬輸出電壓范圍。因此，在此模式下使用碳化硅MOSFET可以減小關(guān)斷損耗和體二極管帶來的開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)更高頻率更低輸出電壓工作。
   

該圖為20KW LLC設(shè)計(jì)的在35A輸出電流條件下的DC增益曲線。從圖中可以看到，最高效率諧振頻率設(shè)定在700V輸入500V輸出條件下，諧振頻率為200KHZ。同時(shí)諧振頻率設(shè)計(jì)較為靠近最高輸出電壓下的最低工作頻率，從而降低勵(lì)磁電流帶來的環(huán)流損耗，這個(gè)環(huán)流損耗對(duì)效率影響非常大。此時(shí)適當(dāng)增加K=Lm/Lr=4.7的比值，可實(shí)現(xiàn)更寬范圍工作。

同時(shí)，最低工作頻率是150KHZ，實(shí)現(xiàn)輸入750V輸出550V變換。最高工作頻率為400KHZ，實(shí)現(xiàn)輸入650V輸出300V變換。　

圖示給出了變壓器和諧振電感的設(shè)計(jì)。特別是諧振電感設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高頻LLC工作的難點(diǎn)，在該碳化硅方案中采用了下面措施降低諧振電感溫升的問題：

1. 采用分段氣隙設(shè)計(jì)方法，降低氣隙漏磁與線包耦合帶來的高頻集膚效應(yīng)問題，降低內(nèi)層線包溫度。同時(shí)可以減小過大高頻漏磁帶來的EMI問題；

2. 電感和變壓器都采用Litz線多股繞制，減小高頻電阻損耗，線包層數(shù)需要控制在三層以內(nèi)；

3. 利用高溫印制板將磁芯中柱和線包隔開3mm-5mm的距離，使得自然風(fēng)既能冷卻外部線包和磁芯，又能冷卻內(nèi)部線包和磁芯中柱。
   

最高效率在額定700V輸入和500V輸出條件下超過98.4%。滿載條件下效率為97.7%。該效率測試包括輔助電源的損耗。

此圖為500V/20A輸出半載條件下的波形和效率，最高效率達(dá)到98.4%。 工作在諧振頻率200KHZ。

此圖為500V/35A輸出滿載條件下的波形和效率，最高效率達(dá)到98.2%。 工作在諧振頻率200KHZ。

此圖為550V/35A輸出滿載條件下的波形和效率，最高效率達(dá)到97.7%。 工作頻率為180KHZ，小于諧振頻率。

此圖為400V/35A輸出般載條件下的波形。 工作頻率260KHZ，大于諧振頻率。在300V輸出電壓下工作頻率將達(dá)到400KHZ。

給出了實(shí)際測試滿載20KW(550V/35A輸出）工作下主要器件（MOSFET，二極管，變壓器和電感）溫度，測試環(huán)境問題為30度，測試采用風(fēng)冷散熱，變換器沒有外殼處于開放式工作狀態(tài)。實(shí)測碳化硅MOSFET工作殼溫低于70攝氏度。

方案研究了基于新一代1000V碳化硅MOSFET軟開關(guān)LLC諧振DC/DC全橋變換器, 工作頻率范圍為150KHZ至400KHZ的20KW諧振變換器證明了碳化硅MOSFET能簡化高壓輸入隔離DC/DC變換器拓?fù)淝揖邆涓咝?、高可靠性等明顯優(yōu)勢，適合應(yīng)用在中大功率新能源領(lǐng)域。

其主要特點(diǎn)如下：

1. 碳化硅MOSFET高阻斷電壓（一般大于1000V)能夠簡化拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)，利用傳統(tǒng)Ｈ橋電路設(shè)計(jì)高輸入電壓（大于600V）隔離變換電路，而不需要三電平等復(fù)雜電路，簡化電路和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。同時(shí)每個(gè)開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通損耗降低；

2. 碳化硅體二極管反向恢復(fù)時(shí)間和電荷遠(yuǎn)小于650V硅MOSFET器件的體二極管反向恢復(fù)時(shí)間和電荷，因此它降低了寄生體二極管反向恢復(fù)的開關(guān)損耗和噪音，便于實(shí)現(xiàn)寬工作頻率工作；

3. 碳化硅MOSFET的Coss小，降低了器件的關(guān)斷損耗；

4. 碳化硅MOSFET延遲時(shí)間小，可以進(jìn)一步減小死區(qū)提高效率，本方案最高效率達(dá)到98.4%；

5. 碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)電荷Qg只有硅650VMOSFET的10%，減小了開關(guān)驅(qū)動(dòng)損耗，能實(shí)現(xiàn)更高頻率工作，該方案最高工作頻率為400KHZ。