基于国产PWM控制器和SiC MOSFET的反激辅助电源设计

倾佳电子杨茜提供基于BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)全国产BTP2843DR与B2M600170H的1000V直流输入反激辅助电源设计（反激驱动驱动电压限制，无法最大化碳化硅MOSFET能力的情况下）,取代老旧的平面高压硅MOSFET方案。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

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1. 设计目标与限制条件

输入电压：1000V DC（电力电子系统母线电压）

驱动电压：12V（B2M600170H性能受到限制）

输出功率：最大化设计（受限于温升与效率）

关键约束：

BASiC基本股份 BTP2843DR：最大占空比96%，开关频率≤500kHz，驱动电流1A。

BASiC基本股份 B2M600170H：1700V耐压，7A连续电流（25℃），但碳化硅MOSFET R_DS(on)受驱动电压影响较大，也有贴片封装TO263-7的B2M600170R。

安全裕量：V_DS(max) < 1500V（1700V耐压的88%）。

2. 关键参数设计与优化

(1) MOSFET电压与电流应力

电压应力：

VDS(max)​=Vin​+VOR​+Vspike​=1000V+200V+200V=1400V

（反射电压 VOR​=200V，漏感尖峰 Vspike​=200V，需优化RCD吸收电路）

峰值电流：

Ipeak​=η⋅Vin​⋅Dmax​2Pout​​=0.85⋅1000V⋅0.962⋅250W​≈0.63A

(2) 功率极限

理论最大功率（考虑R_DS(on)=1.2Ω）：

Pmax​=21​Lp​Ipeak2​fsw​⋅η=21​⋅1.5mH⋅(1.2A)2⋅150kHz⋅0.85≈165W

优化目标：通过调整开关频率与变压器设计，实现 200W输出（24V/8.3A）。

3. 详细设计步骤

(1) 变压器设计

磁芯选型：ETD44（Ae=1.73cm²，Bmax=0.25T），支持高频与高功率密度。

初级电感量：

Lp​=Ipeak​⋅fsw​Vin​⋅Dmax​​=1.2A⋅150kHz1000V⋅0.96​≈4.44mH

匝数比：

N=Vout​+VD​VOR​​=24V+0.5V200V​≈8.1(取8:1)

绕组参数：

初级：128匝（利兹线，线径0.5mm²，降低高频损耗）。

次级：16匝（多股绞线，线径1.2mm²）。

辅助绕组：20匝（整流后≈15V，供BTP2843DR）。

(2) MOSFET驱动与保护

门极驱动：

驱动电阻 Rg​=Idrive​Vdrive​​=1A12V​=12Ω(选用10Ω+2Ω分压)。

添加加速电容（220pF）以减少开关时间。

RCD吸收电路：

电容：4.7nF/2kV陶瓷电容。

电阻：33kΩ/10W，二极管：2kV/3A SiC二极管（C4D20120D）。

(3) 电流检测与限流

检测电阻：

Rsense​=Ipeak​VISENSE​​=1.2A1V​≈0.83Ω(选用0.82Ω/5W合金电阻)

逐周期限流：BTP2843DR内部比较器触发阈值1V，保护MOSFET过流。

4. 损耗分析与散热设计

(1) 损耗计算

导通损耗（R_DS(on)=1.2Ω）：

Pcond​=IRMS2​⋅RDS(on)​=(0.8A)2⋅1.2Ω=0.77W

（假设DCM模式，I_RMS≈0.8A）

开关损耗（E_on=80μJ，E_off=13μJ）：

Psw​=(Eon​+Eoff​)⋅fsw​=93μJ⋅150kHz=13.95W

总损耗：≈15W（需强制风冷，散热器热阻≤2°C/W）。

(2) 效率估算

η=Pout​+Ploss​Pout​​=200W+15W200W​≈93%

5. 关键验证与优化

(1) 电压与电流应力测试

MOSFET VDS波形：示波器观测尖峰<1400V，优化RCD参数（如增大电容至6.8nF）。

初级电流波形：峰值≤1.2A，无磁芯饱和（ETD44磁芯余量充足）。

(2) 温升测试

MOSFET结温：红外测温<110°C（强制风冷，散热器热阻2°C/W）。

变压器温升：<55°C（利兹线降低铜损）。

(3) 输出功率验证

满载测试：输入1000V DC，输出24V/8.3A（200W），持续运行1小时无降额。

6. 最终参数与性能

参数数值输出功率200W（24V/8.3A）开关频率150kHz占空比96%效率（满载）88%-90%温升（MOSFET）<110°C（强制风冷）隔离耐压≥4kV（AC，1分钟）EMI通过CISPR 32 Class B

7. 设计总结与注意事项

设计亮点

高压隔离：采用三重绝缘线绕制变压器，初级-次级间距≥10mm。

高频优化：利兹线与PQ磁芯组合，降低高频损耗。

散热保障：强制风冷+热阻2°C/W散热器，确保MOSFET结温安全。

注意事项

驱动电压限制：若需降低R_DS(on)，可尝试提升V_GS至15V（需调整辅助绕组匝数）。

降额设计：实际运行功率建议≤160W（80%负载），延长器件寿命。

EMI抑制：输入级添加X2电容（0.47μF/1kV）与共模电感（10mH）。

7. 设计总结

通过最大化占空比（96%）、优化变压器设计（ETD49磁芯）与强制散热，BASiC基本股份(BASiC Semiconductor) BTP2843DR和B2M600170H实现200W反激辅助电源。
注意事项：

需严格监控MOSFET温升，避免热失效。

高频噪声需通过屏蔽与滤波抑制（如添加共模磁环）。

实际功率可能受限于PCB布局与散热条件，建议预留20%降额。

此设计适用于高功率电力电子系统（如工业变频器、储能PCS、光伏逆变器、APF）的辅助供电，兼具高功率密度与可靠性。