27 MHz 谐振转换器的直流输出

出处:维库电子市场网时间:2024-07-15
  首先使用 50 伏电源和 AC_OUT 上的 50 欧姆负载测量“交流效率”。记录了 Q1 的漏极波形。
  然后将整流器/滤波器网络连接到 E 类输出。通过在 DC_OUT 处用可变电阻加载整流器来进行替代功率测量。调整负载以提供与 50 欧姆负载相同的直流输入功率和漏极波形。负载为 510 欧姆时产生等效功率。在 110 VDC 输出下,负载电流为 0.215A,连续运行 1 小时后进行测量。比较了交流和直流效率。
   图 1:具有直流输出的 E 类。
  表 1:交流和直流转换效率比较
  测量了两对二极管的温升。为了进行此测量,我们更换了一个直流电流源,并对其进行了调整,以产生与整流条件相同的二极管温升。GeneSiC (TO-220) 器件的温升为 79°C。视在功率耗散为每二极管 1.8 瓦或总共 3.6 瓦。对于 Cree (D-Pak) 二极管,温升为 44°C,表明功率耗散为每二极管 0.39 瓦或总共 0.78 瓦。
  在 125C 和 1A 正向电流下,GeneSiC 二极管数据表[2] 指定了 2.1V 的典型正向压降。二极管电流用 Tektronix P-6022 电流探头测量。峰值正向电流为 1.1 安培。
  为了支持 0.215A 负载电流,每个二极管的平均电流必须相同,即 0.215 安培。使用 2.1 伏特压降和 0.215 安培的平均电流以及 1.1 安培峰值,每个 GeneSic 部件的正向耗散应为 0.45 瓦。测量的耗散是其 4 倍。
  Cree 1A 600V 器件的峰值正向电流为 0.8 安培。Cree 规定(在 100C 时)0.8 安培时正向压降为 1.4V。同样,平均电流为 0.215 安培。使用平均电流的“零恢复”二极管的预期耗散预计为 0.30 瓦。测量的耗散为 0.39 瓦。

  图2:变容二极管效应测试电路。


  表 2:测量的碳化硅二极管特性。
  为了深入了解意外损失,我们修改了谐振反激电路。如图 2 所示,添加了一个 2A、1200V SiC 二极管 C4D02120。随着偏压变得更负,二极管结电容减小。C1 增加以保持二极管两端的峰峰值电压相同。二极管耗散随着反向偏压的增加而降低(结电容越小,高频电流越低)。反向偏压二极管电压在 700 伏范围内可变。
  在之前对变容二极管效应的测试 [5] 中,我们使用背对背 8A 1200V SiC 二极管作为变容二极管。在这些测试中,我们测量到 4 瓦的耗散(每个二极管 2 瓦)。
  我们尝试预测 5.5 欧姆内部二极管电阻场景可能导致的损耗。表 2 右边的列显示了这一预测。虽然在较高的反向电压下与实际耗散有合理的一致性,但测量的耗散偏离了我们在较低偏置电压下恒定 ESR 的假设。我们注意到,我们的等效“二极管电阻”在 -200V 偏置下低于预期,约为 3 欧姆。
  讨论
  我们的准 E 类转换器需要高压功率器件。峰值漏极电压与直流电压之比约为 3.5:1。在高压线路 (132 VAC) 下运行会导致峰值漏极电压超过 650 伏,超过目前可用的氮化镓部件的额定值。千伏范围内的低损耗可变电容二极管也是一个问题。
  就目前的技术而言,本文提出的设计可能不适合通用电源市场的离线应用。介电加热、医疗透热疗法、烧灼应用和近场无线电力传输等领域可能非常适合我们的概念。
  据传,一家大型半导体公司将于 2019 年季度推出一系列低栅极电阻 1700V 碳化硅 MOSFET。假设器件损耗合理,这可能是实现高功率离线能力的一项技术。
  目前可用的磁性材料阻碍了 3-30 MHz 范围内任何电源转换拓扑的效率提高和尺寸减小。为了在 27 MHz 下实现低损耗,铁氧体(如 4F1)和铁粉(如 Carbonyl E)磁性材料都需要非常低的磁通密度,从而导致电感器体积庞大。螺线管或环形绕线空芯电感器可能是的选择。
  我们的转换器和控制拓扑在较高功率下提供合理的效率,但在较轻负载下的效率较低。一种可能的解决方法可能是以较低频率对 27 MHz 驱动信号进行脉冲宽度调制,以在低输出功率水平下保持效率。
  我们之前指出[1],电源/射频发生器的变频控制可能会导致监管问题。FCC 第 15 部分的要求[4]包括对杂散发射限制严格的频率范围(“限制频段”)。
  对于 LLC 或串联谐振拓扑等转换器的宽范围频率控制,至少需要 2:1 的频率范围。但是,没有 3 至 30 MHz 的 2:1 频率范围可以允许转换器的可变频率控制,而不会侵入一个或多个 FCC 第 15 部分限制频带。在(窄)ISM 频带中,允许的杂散发射相对于非 ISM 频率更大。
  我们指出,应该可以设计一个以固定频率运行的 LLC 转换器,采用电子可变谐振功率控制,如本系列第 2 部分所述[5]。额外屏蔽和滤波的成本和复杂性可能会大幅降低。
  结论
  在本系列中,我们介绍了准 E 类转换器的设计和数据,该转换器能够在各种电感和电阻负载下工作,同时保持 ZIS 开启和 ZVS 关断波形。我们描述了两种可变电抗控制方法,用于在很宽的范围内改变输出功率。
  我们不再需要预转换器(例如降压或升压调节器)来控制输出功率。这可显著降低某些应用的成本和尺寸。
  描述了射频输出到直流的转换。我们观察到碳化硅二极管整流器的耗散高于预期。同样,当使用反向偏置的 SiC 器件作为变容二极管时,也发现损耗高于预期。
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