ZHCU677C June   2019  – July 2022

 

  1.   说明
  2.   资源
  3.   特性
  4.   应用
  5.   5
  6. 1系统说明
    1. 1.1 关键系统规格
  7. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 重点产品
      1. 2.2.1  UCC21530
      2. 2.2.2  AMC1311
      3. 2.2.3  AMC3302
      4. 2.2.4  AMC3306M05
      5. 2.2.5  LM76003
      6. 2.2.6  LMZ31707
      7. 2.2.7  OPA320
      8. 2.2.8  ISO7721
      9. 2.2.9  SN6501
      10. 2.2.10 SN6505B
      11. 2.2.11 TMP235
      12. 2.2.12 LMT87
      13. 2.2.13 TL431
      14. 2.2.14 LMV762
      15. 2.2.15 TMS320F280049 C2000 MCU
      16. 2.2.16 TMDSCNCD280049C
    3. 2.3 系统设计原理
      1. 2.3.1 具有电源系统的双有源电桥模拟
      2. 2.3.2 双有源电桥 - 开关序列
      3. 2.3.3 双有源电桥 - 零电压开关 (ZVS)
      4. 2.3.4 双有源电桥 - 设计注意事项
        1. 2.3.4.1 漏电感器
        2. 2.3.4.2 电感对电流的影响
        3. 2.3.4.3 移相
        4. 2.3.4.4 电容器选型
        5. 2.3.4.5 软开关范围
        6. 2.3.4.6 开关频率
        7. 2.3.4.7 变压器选型
        8. 2.3.4.8 SiC MOSFET 选型
      5. 2.3.5 损耗分析
        1. 2.3.5.1 设计方程式
        2. 2.3.5.2 SiC MOSFET 和二极管损耗
        3. 2.3.5.3 变压器损耗
        4. 2.3.5.4 电感器损耗
        5. 2.3.5.5 栅极驱动器损耗
        6. 2.3.5.6 效率
        7. 2.3.5.7 散热注意事项
  8. 3电路说明
    1. 3.1 功率级
    2. 3.2 直流电压检测
      1. 3.2.1 初级侧直流电压检测
      2. 3.2.2 次级侧直流电压检测
    3. 3.3 电流检测
    4. 3.4 功率结构
      1. 3.4.1 辅助电源
      2. 3.4.2 检测电路的隔离式电源
    5. 3.5 栅极驱动器
      1. 3.5.1 栅极驱动器电路
      2. 3.5.2 栅极驱动器偏置电源
      3. 3.5.3 栅极驱动器分立式电路 - 短路检测和两级关断
  9. 4硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 4.1 所需的硬件和软件
      1. 4.1.1 硬件
      2. 4.1.2 软件
        1. 4.1.2.1 软件入门
        2. 4.1.2.2 引脚配置
        3. 4.1.2.3 PWM 配置
        4. 4.1.2.4 高分辨率相移配置
        5. 4.1.2.5 ADC 配置
        6. 4.1.2.6 ISR 结构
    2. 4.2 测试设置
    3. 4.3 PowerSUITE GUI
    4. 4.4 实验
      1. 4.4.1 实验 1
      2. 4.4.2 实验 2
      3. 4.4.3 实验 3
      4. 4.4.4 实验 4
      5. 4.4.5 实验 5
    5. 4.5 测试结果
      1. 4.5.1 开环性能
      2. 4.5.2 闭环性能
  10. 5设计文件
    1. 5.1 原理图
    2. 5.2 物料清单
    3. 5.3 PCB 布局建议
      1. 5.3.1 布局图
    4. 5.4 Altium 项目
    5. 5.5 Gerber 文件
    6. 5.6 装配图
  11. 6相关文档
    1. 6.1 商标
  12. 7术语
  13. 8作者简介
  14. 9修订历史记录

4.5.1 开环性能

表 4-4 显示了系统效率是输出功率的函数。通过更改负载以及输入电桥与输出电桥之间的相位角来改变转换器输出功率以达到 10kW。从表中可以看出，转换器在大概 6kW 时的峰值效率为 98.2% ，并在 10kW 时的满载效率为 97.6% 。图 4-45 显示了在不同功率水平下转换器的测量效率。

表 4-4 转换器效率结果
测试条件 输入电压 VIN：800V，开关频率：100kHz，相移：10° 至 15°，负载电阻：从 128Ω 减小至 34Ω 输入电压 VIN：800V，开关频率：100kHz，负载电阻：26Ω，相移：从 16° 增加到 23°
负载（单位为瓦特） 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
效率 91% 94% 97.50% 97.70% 97.90% 98% 98.16% 97.90% 97.80% 97.75% 97.60%
GUID-72735699-52E8-4149-B33B-DBDD68B4F4B3-low.gif图 4-45 效率与输出功率间的关系

表 4-5 显示了用于将输出功率从轻载改为满载的电阻负载。输入电压一直保持为 800V 不变。从表中可以看到，为了实现 10kW 的功率传输，通过将负载电阻保持为 26Ω 来改变相位角。对于特定的功率输出、输入电压、输出电压、开关频率、匝数比和漏电感，可以使用Equation14 来计算相位角。

表 4-5 结果汇总
输入电流 (A) 输入功率 (W) 输出电流 (A) 输出电压 (V) 输出功率 (W) 效率 负载电阻 (Ω) 观察到的相移（度） 实际计算出的相移（度）
2.47 1976 年 3.875 496 1922 97.3% 128 10 7
4.37 3496 7.07 483.4 3416 97.7% 68 10 7
5.51 4408 9.06 473 4286 97.2% 52 10 8.5
7.79 6232 13.42 455.6 6114 98.1% 34 15 13
8.86 7088 16.49 419.4 6916 97.6% 26 16.2 16.32
11.56 9248 18.85 479.4 9036 97.7% 26 21.6 18.9
12.62 10096 19.68 500.5 9855 97.6% 26 23 20

表 4-5 显示了观察到的相移（根据 PWM 设置计算得出）与根据公式计算得出的实际相移略有不同。根据理论公式可以很好地设置相移，但是根据施加于转换器的负载，需要对相位进行微调，以便提供所需的功率。在相移为 23 度的条件下，当输入电压为 800V 且开关频率为 100kHz 时，可以获得 10kW 的全功率传输和 500V 的输出电压。通过控制相位以闭环方式将输出电压调节至所需值，该调节将在本设计发布后提供。

图 4-46显示了 10kW 功率水平下的初级侧 SiC MOSFET 的漏极电压（深蓝色）、栅极电压（青色）和电感器电流（紫色）波形。漏极电压在 0V 至 800V 之间切换，栅极电压波形从 +15V 切换至 –4V，而电感器电流具有明显的梯形特征，峰值电流约为 20A。

GUID-AEF415DE-D711-4E3F-A5C4-A298FCC9603F-low.png图 4-46 10kW 时的波形

图 4-47 显示了导通瞬间时的波形。一旦漏极电压（青色）下降至零，就会施加栅极脉冲（深蓝色）以导通 MOSFET。这会使得 MOSFET 出现 ZVS 导通。图 4-48 显示了开关关断波形。关断过程导致开关损耗。通过在 MOSFET 上放置输出电容器可以最大程度地降低此损耗。

GUID-70E6AFD3-E5C3-4F9F-8B82-86BF154EA60C-low.png图 4-47 开关导通波形
GUID-E81AF227-A264-44D2-9C6C-5B60F37640AB-low.png图 4-48 开关关断波形

表 4-6 显示了转换器的尺寸。计算得出的转换器总功率密度为 2.32kW/L，超过了 1kW/L 的目标规格。

表 4-6 电路板尺寸
轴尺寸
X328 mm
是160 mm
Z82 mm
体积4.3 升