高效率是電力電子領域的重要參數之一，也是最具挑戰(zhàn)性的參數之一。寬帶交換機可以幫助實現這一目標，但它們會增加系統(tǒng)成本。這就是 LLC諧振轉換器的用武之地。與其他類型的轉換器相比，這種類型的轉換器具有更多的優(yōu)勢，因為它提供了高電氣隔離、高功率密度、低 EMI 和高效率。此外，LLC 諧振轉換器可用于各種應用，如消費電子產品，以及可再生能源應用，如光伏、風能、水力和地熱等。本文提供了在 3KW 中建模的 Si 和 SiC MOSFET 的詳細比較具有寬輸入電壓范圍的半橋 LLC 轉換器。

結果表明，對于高頻功率應用，SiC MOSFET 的效率高于 Si MOSFET。由于其低成本優(yōu)勢，Si MOSFET 在低壓和低功率應用中仍然是首選。

半橋LLC諧振變換器的工作

圖片來源：Adragna、Claudio & Simone、s & Spini、Claudio。（2008 年）。基于諧振回路電流檢查的 LLC 諧振轉換器的設計方法.. 1361 – 1367. 10.1109/APEC.2008.4522901。

上圖顯示了半橋 LLC 諧振轉換器的電路。它有兩個 MOSFET Q1 和 Q2，它們在頻率 fs 下以 180o 異相開啟和關閉。每個 MOSFET 的導通時間相同，略短于開關周期 Ts = 1/fs 的 50%。事實上，在任一 MOSFET 的關斷和另一個 MOSFET 的導通之間也插入了一個小的死區(qū)時間 Td。該死區(qū)時間對于轉換器的運行至關重要，它確保 Q1 和 Q2 不會交叉?zhèn)鲗Р⒂脙蓚€ MOSFET 的軟開關（即開啟時的零電壓開關 ZVS）。

諧振回路包括三個電抗元件（Cr、Ls 和 Lp），因此具有兩個諧振頻率。一個與次級繞組傳導有關：只有 Ls 處于活動狀態(tài)，而 Lp 消失，因為它兩端有恒定電壓，從次級側反射回來；它的價值是：

另一個諧振頻率對應于次級繞組開路的情況。因為 Ls 和 Lp 實際上串聯(lián)，所以儲能電路從 LLC 變?yōu)?LC：

頻率f R1大于f R2。fR1 和 fR2 之間的間隔取決于 Lp 與 Ls 的比率：它越大，兩個頻率之間的距離越遠，反之亦然。

半橋 LLC 諧振轉換器的功率損耗

The conduction power losses on the primary side are situated in the power MOSFETs, the resonant capacitor Cr, and the transformer. On the secondary side, losses are situated in the secondary rectifiers, and also in the output capacitors.

Switching losses are basically found in the power MOSFET. The value of the switched current at heavy load is a trade-off between the need for ensuring zero voltage switching (ZVS) for both MOSFETs and their turn-off losses. The higher the switched current is, the higher the margin for ZVS will be.

Half-Bridge LLC Resonant Converters with Si and SiC MOSFETs

技術的發(fā)展和寬禁帶 (WBG) 功率器件的使用，例如硅 (Si) 和碳化硅 (SiC)，為傳統(tǒng)方法提供了替代。由于其卓越的開關速度、低開關損耗、更高的效率、更高的功率密度，可以實現更穩(wěn)健、可靠性更高的系統(tǒng)。高頻操作的主要好處是更小的變壓器和 EMI 濾波器，以及集成到變壓器中的諧振電感器，這進一步減小了轉換器的尺寸。由于 ZVS 降低了串擾，即使沒有負偏置驅動電壓，MOSFET 也能可靠工作，從而降低驅動電路成本。

在進行的仿真中，為碳化硅 (SiC) MOSFET (SCT3080KL) 和硅 (Si) MOSFET (STW45NM50) 建模了一個 3 KW 半橋 LLC 諧振轉換器，以分析它們的性能。SiC MOSFET 用于一個模型，而 Si MOSFET 用于另一個模型。該轉換器采用頻率調制技術進行設計和控制，通過改變頻率來控制輸出電壓。傳導損耗、開關損耗和總損耗計算如下：

MOSFET 傳導損耗的計算：

Pcond = Irms 2 * Rd * 占空比

計算 MOSFET 的開關損耗：

Psw = (Vin/2)? I peak ? toff ? fsw

所有 MOSFET 的總損耗為：

?Ptotal = 2 * (Pcond + Psw)

圖片來源：法魯克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半橋 LLC 諧振轉換器的比較分析。英。過程。2021 年 12 月 43 日。

SiC和SiC在滿載和半載時的損耗比較如上圖所示。這表明 SiC MOSFET 的開關損耗和傳導損耗小于 Si MOSFET。與硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 的性能更高。

圖片來源：法魯克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半橋 LLC 諧振轉換器的比較分析。英。過程。2021 年 12 月 43 日。

上圖分別顯示了硅和碳化硅 MOSFET 在不同輸入電壓下的開關損耗和傳導損耗。它表明開關損耗隨著輸入電壓的增加而增加。在低電壓下，傳導損耗最大。結果表明，碳化硅 SiC MOSFET 的開關損耗遠低于硅硅 MOSFET。

仿真結果：

圖片來源：法魯克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半橋 LLC 諧振轉換器的比較分析。英。過程。2021 年 12 月 43 日。

上圖（a）顯示了不同負載下硅和碳化硅（SiC）開關的效率分析。分析表明，在 25% 負載下，采用硅 MOSFET 的轉換器的負載效率遠低于 SiC MOSFET 轉換器。圖 (b) 顯示了輸入電壓變化的效率分析。在標稱電壓下，效率最大，當電壓從標稱電壓升高時，效率降低。

結論

硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 寬帶隙器件為各種應用中的高效率、高功率密度和節(jié)能提供了巨大的機會。仿真以及捕獲的波形展示了半橋 LLC 諧振轉換器中碳化硅 MOSFET 優(yōu)于硅 MOSFET 的卓越性能。與硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 在高頻功率應用中的工作效率更高。然而，在低電壓和低功率應用中，Si MOSFET 仍然是首選，因為它們成本低。

審核編輯：劉清