多路输出高隔离低耦合电容驱动电源的研究

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以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料制作的开关管,因为其高耐压、高开关频率、低损耗等卓越的性能,在高压高频(HV-HF)的情况下应用越来越广泛。高功率电力电子设备通常有多个SiC、GaN开关器件,在HV-HF的应用场合下,开关器件承受较大的dV/dt。普通的隔离型驱动电源电压隔离等级不够,不易做到多路输出,且输入与输出之间有较大的耦合电容Cio。在dV/dt较大的情况下,大耦合电容的驱动电源将产生较大的共模电流,对电力电子设备的正常工作形成较大的干扰。研究应用在HV-HF条件下的SiC、GaN开关器件驱动电源,有利于性能卓越的SiC、GaN开关器件的应用,特别是在HV-HF情况下的应用。在分析常规隔离型驱动电源所存在的问题的基础上,本文研究并设计了一种多路输出的高隔离、低耦合电容的驱动电源。针对其中的高频变压器的结构进行优化设计,选择了基于电流互感器式的变压器结构。这种结构的变压器可以减少绕组与绕线匝数,进而减小耦合电容,同时这种隔离形式易于实现驱动电源的多路输出与高隔离电压。通过对变压器的输入源进行对比分析,得出电流源性能表现更好。对变压器结构与耦合电容的数值进行建模分析,给出了电流互感器式小耦合电容变压器的设计方法。针对电流互感器式变压器的隔离电源中一次侧电路设计的问题,提出了一次侧LCL-T谐振网络的电路结构,分析了逆变电路与LCL-T谐振网络的工作过程以及恒流特性,给出了一次侧电路参数特性。LCL-T电路结构实现了由电路输入端的电压源到变压器输入端的高频电流源的转换功能,且该电流源谐波低,恒流性能好。变压器输出端与二次侧整流桥相连,由于二次侧电路需要实现恒定电压输出,因此本文提出了电流型Boost开关电路实现稳压输出。对该电路结构进行分析、建模,设计了补偿网络,选择合适的DC-DC集成控制芯片,设计相应的保护与外围电路,最终实现稳压输出。通过仿真验证了在电源一次侧采用逆变电路与LCL-T谐振网络、二次侧采用电流型Boost电路的结构,可以到达设计目的。最后,通过设计一个输入24V、输出三路24V/6W的电源样机验证了本文相关设计的正确性。
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