辅助电源的工作原理和输出电路设计

辅助电源是电机驱动、光伏逆变器和 UPS 系统等工业应用的重要组成部分。高压直流总线转换为 5 V 至 48 V 直流电源，为控制电路、传感电路、冷却风扇、SELV 电路等供电。在这些应用中，电源的电流隔离是一个常见的要求，功率电平通常低于 100 W。由于直流链路电压的变化，它还应该能够在宽输入电压范围内工作，通常从 300 V 到 1000 V。单开关反激式拓扑结构简单，元件数量最少，成本低，是此类低功率 DC-DC 电源转换的广泛使用的拓扑结构之一。

图 1：单开关反激式转换器

使用 SiC MOSFET 的 300V~1000V 单开关反激式转换器的设计注意事项

单开关反激式转换器中的电源开关器件必须能承受最大电压，该电压定义为最高输入电压、变压器感应效应、次级反射电压和电路布局寄生电感引起的过电压之和。在 1000 V 输入时，该峰值电压很容易超过 1200 V。虽然 1500 V Si MOSFET 无法提供足够的电压安全裕度，但需要使用额定值 2000 V 及以上的 Si MOSFET。由于其较高的特定导通电阻，这将导致尺寸过大的 MOSFET 具有降低的功率密度。此外，此类 MOSFET 将增加半导体在应用中的整体成本。

针对此类问题，Littelfuse 提供了 1700 V SiC MOSFET，即使对于 1000 V 标称输入直流链路电压也能提供足够的电压裕度。与 2000V Si MOSFET 对应物相比，1700V SiC MOSFET 的特定导通电阻降低了近 82%。这将大大降低传导损耗和半导体成本，同时提高功率密度和应用。此外，碳化硅 MOSFET 的低开关能量和超低栅极电荷支持更高的开关频率，因此可以在提高转换器效率的同时实现更紧凑、低损耗的变压器设计。在最好的情况下，被动冷却是可能的。

工作原理

如图 1 所示，当 MOSFET 导通时，能量存储在变压器的初级线圈中。变压器的次级侧被二极管阻断，负载由次级侧的输出电容器供电。

当 MOSFET 关断时，MOSFET 两端的初级电压超过输入电压加上次级绕组反射的输出电压。在此期间，次级侧二极管 D1 导通，变压器初级两端的电压近似钳位到反射输出电压。

关断事件会中断流经变压器初级绕组的电流，导致 MOSFET 上出现电压尖峰，该电压尖峰与杂散电路电容谐振并产生大振幅高频振铃。

这种谐振被 RCD 钳位 / 缓冲电路抑制。碳化硅 MOSFET 提供更高的电压裕度，因此允许更低的缓冲器损耗。缓冲电容需要足够大，以在吸收泄漏能量的同时保持较小的电压纹波。

变压器设计

变压器是设计中的关键无源元件。磁芯材料和绕组线选择决定了变压器的功率损耗和温升。漏感影响功率 MOSFET 上的电压振铃和峰值电压，并决定 RCD 钳位电路设计。隔离电容会影响系统的共模噪声发射。

变压器的初级与次级匝数比决定了初级侧 MOSFET 和次级侧整流二极管上的实际峰值电压。对于 1700 V MOSFET，考虑到最大漏感电压尖峰为最大输入电压的 25%，建议降额 15%。二次侧的最大允许反射电压可估算为：

其中 V F是输出整流二极管的正向电压

输出电路设计

输出电容的最小值由纹波要求决定。

输出整流二极管峰值电压等于输出电压加上反射输入电压，如以下等式所示：

栅极驱动及控制电路

SiC MOSFET 具有超低输入电容，因此开启器件所需的栅极电荷也非常低。PWM 控制器 IC 可以直接驱动 SiC MOSFET，无需额外的驱动器 IC，从而进一步降低系统成本。

建议使用不同的导通和关断电阻 - 较小的导通电阻以减少导通损耗，较大的关断电阻以减少电压振铃和 EMI 噪声发射。

SiC MOSFET 需要比 Si MOSFET 更高的栅极驱动电压。15V 到 20V 的值通常会产生最低的导通电阻。降低驱动电压将降低短路峰值电流，这可能会提高系统的耐用性，但代价是 R DS（on）值略有增加。这种影响在较高的工作温度下不太明显。例如，18V 驱动 MOSFET 的最佳驱动电压为 20V，在 125°C 时导通电阻只会增加 3.5%。然而，如果驱动电压太低，器件可能会在较低的电流下饱和而无法支持高峰值电流。

优化栅极环路的实际布局并使其尽可能短至关重要。关键设计目标是降低栅极环路电感并避免近场耦合，以最大限度地减少栅极振铃和高峰值栅极电压。

具有 300V~1000V 宽输入和 12V 输出的 1700V 参考设计的性能

选择 Littelfuse 的 1700 V 750mΩ SiC MOSFET（部件号 LSIC1MO170E0750）作为初级侧开关。晶体管 TO-247-3 封装提供了较大的热交换面积和较低的热阻 R THJ-C，以简化热管理，同时降低芯片的功率损耗和被动冷却。

选择 Littefuse 的 150 V 二极管（部件号 DSA30C150PB）作为整流二极管。

考虑到转换器损耗的整体优化目标，选择开关频率 f s =110 kHz，变压器的匝数比选择为 12。对于 12V 输出电压，额定输出电压纹波《10mV。

该电路旨在在最大输入电压下在 50% 到 100% 的负载范围内保持连续导通模式操作（CCM）。这是一方面减少半导体损耗和 EMI，另一方面减少变压器匝数之间的权衡。后者影响 RCD 钳位电路中的重量、漏感和功率损耗。

对于所有输入电压条件，转换器效率在 40% 负载以上都高于 80%。在 50% 负载和 300 V 输入电压下可实现 89.3% 的峰值效率。

图 2：不同输入电压条件下测得的效率与输出功率的关系

如图 10 所示，在 SiC MOSFET 上没有连接散热器、在 25°C 环境温度下自然对流冷却的情况下，SiC MOSFET 在 1000 V 输入电压下满载时的最高温度达到 106.5°C。当输入电压增加时，MOSFET 温度会显着增加，这主要是由开关损耗驱动的。二极管和变压器的温度保持在 80°C 以下。