作者： 李泽元 （教授）
报告摘要： 与用于高功率应用的 IGBT 器件相比，第三代功率半导体 SiC 器件可显著降低开关损耗，开关频率预计会增加 2-3 倍。在许多增益范围相对较窄的 DC/DC 转换器应用中，谐振转换器已经被认为是首选。通过 ZVS 导通和 ZCS 关断，谐振转换器的开关频率提高了一个数量级，效率也提高了。
然而，在电动汽车充电、可再生能源和储能等许多新兴大功率应用中，具有宽增益范围的特点，具有某种形式的软开关的 PWM 转换器仍然是主流。本演讲的主题是关于克服与宽增益范围相关的挑战的提出的方法，以及在 100KHz 以上运行的方法，并大大提高了效率。控制策略提出如下：“灵活的链路电压”以延长工作范围，同时效率高;“短路”模式，以提升罐体能量，实现高电压增益;和“PWM”模式，可在轻负载下工作时实现大大减小的频率范围。所提出的策略共同改变了基本特性，同时消除了 CLLC 转换器的局限性，使其最适合需要宽增益范围的高功率应用。
注：文字与图片报告无关
基于碳化硅（SiC）器件的高功率、高频 CLLC 谐振转换器设计，在追求高效率、高功率密度的同时实现宽增益范围，确实面临一系列关键挑战。以下是对主要设计挑战的详细分析及应对思路：
一、核心设计挑战
1. 宽增益范围与软开关的平衡
- 挑战：CLLC 拓扑的增益曲线呈“钟形”，在偏离谐振点（尤其是轻载或输入电压大幅变化时）难以维持所有开关管的零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），导致开关损耗增加，SiC 的高频优势被削弱。
- 深层问题：增益范围（如±20% 以上）需要设计更宽的开关频率调节范围。然而，过高频率会增加磁芯和绕组损耗，而过低频率则可能丢失软开关。
2. 高频磁元件设计与优化
- 变压器设计：
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- 寄生参数：高频下（数百 kHz 至 MHz），变压器的漏感和寄生电容成为谐振网络的一部分，直接影响增益特性和软开关条件。设计时必须精确建模并控制这些参数。
- 磁芯损耗与绕组损耗：高频下磁芯损耗（使用低损耗材料如铁氧体、金属粉芯）和趋肤效应、邻近效应导致的绕组交流损耗急剧增加。需要采用利兹线、PCB 绕组或平面变压器技术。
- 谐振电感集成：为提升功率密度，常将谐振电感集成到变压器中（通过调整磁路或增加气隙），但这使得参数耦合更强，独立调节更困难，增加了设计和优化的复杂度。
3. SiC 器件的高频应用挑战
- 驱动与布局：
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- 栅极驱动：需要低电感、强驱动的门极回路以快速控制 SiC MOSFET（开关速度极快），抑制电压过冲和振荡。负压关断有助于防止误导通。
- 寄生参数：PCB 布局的寄生电感（尤其是功率回路和驱动回路）会在高频开关下引起严重的电压振铃和电磁干扰（EMI），必须通过紧凑对称的布局、叠层母排等技术最小化。
- 体二极管反向恢复：虽然 SiC MOSFET 的体二极管反向恢复特性远优于硅，但在硬开关或 ZVS 条件不佳时，其反向恢复电荷仍可能引起额外损耗和噪声。
4. 复杂控制策略的实现
- 宽范围调节需求：仅靠变频（PFM）控制，在宽增益范围内可能使频率范围过宽，导致磁元件和滤波器设计困难。通常需结合脉冲宽度调制（PWM） 、移相控制或混合调制（如 PFM+PWM） 来“压平”增益曲线，但控制算法（数字实现）的复杂度和实时性要求极高。
- 同步整流（SR）控制：副边 SiC MOSFET 用作同步整流管时，其精确的导通/关断时序对效率至关重要。在宽频率和负载范围内实现稳定、无环流的 SR 控制是难点。
5. 热管理与电磁兼容
- 热密度高：高功率密度下，损耗集中，尤其高频磁元件和 SiC 器件（虽高效但功率密度大）的温升管理是关键。需要高效散热设计（如液冷、热管）。
- EMI 挑战：高频（尤其是 MHz 级）开关产生的高 dv/dt 和 di/dt，使得传导和辐射 EMI 问题突出。需从源头（如软开关）、布局、滤波器和屏蔽等多方面协同设计。
二、关键设计考量与应对方向
1.多目标参数优化： 采用基于模型的优化算法（如遗传算法、粒子群算法），对谐振腔参数（Lr, Cr, Lm, n）、开关频率范围、磁元件参数进行协同优化，在效率、增益范围和功率密度间取得最佳折中。
2.先进磁集成技术： 深入研究磁集成方案（如集成谐振电感的平面变压器），利用有限元分析（FEA）工具精确预测寄生参数和高频损耗，实现高功率密度和可重复性。
3.数字控制与智能算法： 利用高性能数字信号处理器（DSP）或 FPGA，实现自适应混合调制、在线参数辨识、预测控制等先进算法，以动态优化工作点，应对宽范围变化。
4.原型验证与迭代： 由于高频下寄生参数影响巨大，理论模型与实测常有差距，必须通过快速原型构建和精细测量（如双脉冲测试、阻抗分析仪测量磁元件寄生参数）进行迭代优化。
总结
设计基于 SiC 的高功率高频 CLLC 谐振转换器并实现宽增益范围，是一项多学科交叉的系统工程。其核心挑战在于高频软开关、磁元件、寄生参数、热管理和复杂控制之间的强耦合关系。成功的关键在于：
- 精确的器件与寄生参数建模（特别是磁元件和 PCB 布局）。
- 采用系统级优化方法进行参数设计。
- 利用数字控制的灵活性实现智能调制。
- 贯穿始终的电磁与热协同设计。
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