【導(dǎo)讀】為了確保在指定的 40 V 輸出上進(jìn)行安全可靠的測(cè)試，選擇組件時(shí)要考慮各種操作。為了實(shí)現(xiàn)更大的電壓測(cè)試，并展示飛跨電容器多電平轉(zhuǎn)換器 (FCMFC) 如何利用與反激式轉(zhuǎn)換器相同的組件更有效地執(zhí)行， 本研究中未使用飛跨電容器結(jié)構(gòu)帶來的較低額定電壓。這表明后續(xù)幾代產(chǎn)品將通過使用 額定值較低的半導(dǎo)體進(jìn)一步提高效率。
為了確保在指定的 40 V 輸出上進(jìn)行安全可靠的測(cè)試，選擇組件時(shí)要考慮各種操作。為了實(shí)現(xiàn)更大的電壓測(cè)試，并展示飛跨電容器多電平轉(zhuǎn)換器 (FCMFC) 如何利用與反激式轉(zhuǎn)換器相同的組件更有效地執(zhí)行， 本研究中未使用飛跨電容器結(jié)構(gòu)帶來的較低額定電壓。這表明后續(xù)幾代產(chǎn)品將通過使用 額定值較低的半導(dǎo)體進(jìn)一步提高效率。
為了測(cè)試前面提到的工作原理，使用相同的組件創(chuàng)建了三個(gè)硬件原型，如表 1 所示。將使用反激轉(zhuǎn)換器作為基準(zhǔn)對(duì)這兩個(gè) FCMFC 進(jìn)行比較。反激式配置被視為 N2 FCMFC。開發(fā)的 N3 和 N4 轉(zhuǎn)換器在次級(jí)分別包含 2 個(gè)和 3 個(gè)電容器級(jí)。
控制傳感
初級(jí) FET 的相移脈沖寬度調(diào)制 (PSPWM) 控制信號(hào)和轉(zhuǎn)換器次級(jí)上飛跨電容器的浮動(dòng) FET 信號(hào)由 Texas Instruments C2000 F28335 Delfino 控制開發(fā)板發(fā)送。該板由 PLEC 的編碼器編程。初級(jí) FET 設(shè)置了軟啟動(dòng)功能，可緩慢開啟雙繞電感，避免因輸出電容未充電而產(chǎn)生高浪涌電流。該計(jì)劃可防止磁飽和并保護(hù)使用額定電壓較低的 FET 的未來版本。每次測(cè)試試驗(yàn)都使用開環(huán)控制以固定占空比運(yùn)行 FET。
隔離輔助電源、浮柵驅(qū)動(dòng)、自舉
晶體管源極節(jié)點(diǎn)處的浮動(dòng)電壓是多級(jí)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)問題。對(duì)于 FCMFC，由于需要保持初級(jí)和次級(jí)電路電氣隔離，這個(gè)問題變得更加嚴(yán)重。幸運(yùn)的是，F(xiàn)CMFC 不需要先進(jìn)的引導(dǎo)技術(shù)。選擇 Analog Devices 的 LTM8067 隔離電源芯片來為自舉電路提供額外的電源。該芯片被設(shè)置為將 5 V 電源升壓至 8 V 并驅(qū)動(dòng)次級(jí)側(cè)的 MOSFET。
該芯片是反激式轉(zhuǎn)換器，因此它保持主轉(zhuǎn)換器的初級(jí)到次級(jí)隔離，額定電壓為 2 kV。它具有一個(gè)電壓輸出，如果需要，可以使用電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以在更高的電壓下驅(qū)動(dòng) FET。對(duì)于這項(xiàng)工作，英飛凌 FET 可以使用 8 V 和 12 V 電壓，該 FET 只能處理 20 V 柵極驅(qū)動(dòng)。為了獲得良好的電壓調(diào)節(jié)，輸入和輸出處的電容分別為 2 F 和 30 F。
一個(gè) 20 m 的電阻器與輔助轉(zhuǎn)換器的輸入串聯(lián)，以防止電源電感和輸入電容之間可能出現(xiàn)諧振回路。通過選擇 Texas Instruments UCC21220A 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器芯片，將浮動(dòng)電壓節(jié)點(diǎn)用作虛擬地。它們還在邏輯電平控制器輸入側(cè)和驅(qū)動(dòng)飛跨電容器 MOSFET 的次級(jí)高壓側(cè)之間提供 4 kV 隔離。
每個(gè)浮動(dòng)電壓節(jié)點(diǎn)都需要一個(gè)自舉，這與飛跨電容器相同。 N3 FCMFC 有一個(gè)自舉電路，而 N4 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)。每個(gè)自舉電路由電阻器(RB)、二極管(DB)和電容器(CB)組成。隔離的 8 V DC 電源為電阻器供電，該電阻器與二極管串聯(lián)，然后與電容器串聯(lián)。然后，該電容器連接到浮動(dòng)源極節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)是飛跨電容器 C1 的負(fù)極。這在自舉電路圖的圖 1 中用紅點(diǎn)表示。
圖 1 . N3 的自舉電路。圖片由IEEE Open Journal of Power Electronics提供
CB 的正極性連接到隔離驅(qū)動(dòng)芯片的輸入電壓節(jié)點(diǎn)。在此設(shè)置中，自舉電路使用隔離電源對(duì)變壓器的第二個(gè)接地進(jìn)行充電，并且 FC 網(wǎng)絡(luò)的所有后一個(gè)開關(guān)均打開。當(dāng)后一個(gè)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，CB 兩端的電壓現(xiàn)在為 Viso - VDB + VC1。這使得浮動(dòng) FET 柵極到源極之間的電壓等于隔離電源的電壓減去自舉二極管兩端的壓降。
自舉電容器足夠大，可以快速充電并存儲(chǔ)足夠的能量，以保持 FET 每個(gè)周期所需的導(dǎo)通時(shí)間。對(duì)于更別的轉(zhuǎn)換器，例如本研究中的 N4，個(gè)自舉電容器（靠近線圈）將必須通過多個(gè) FET 充電。需要設(shè)置 PSPWM，以便自舉電容器有足夠的時(shí)間充電。當(dāng)改變開關(guān)頻率時(shí)，就像在這項(xiàng)工作中一樣，自舉電路的充電和放電時(shí)間必須平衡。
所選自舉二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為 3.7 ns，小于 FET 的有效導(dǎo)通時(shí)間。這樣做是為了防止電流過大而損壞輔助電源。 FET 的有效導(dǎo)通時(shí)間包括柵極充電后漏極至源極電壓下降所需的時(shí)間以及柵極電壓開始時(shí)漏極至源極電壓開始下降所需的時(shí)間上升。
選擇自舉二極管是為了在電容器充電時(shí)處理平均電流，這種情況發(fā)生在初級(jí)占空比（50%）時(shí)。二極管可以處理啟動(dòng)期間的峰值電流，即電源電壓減去二極管的壓降除以自舉電阻，約為 2A。
印刷電路板布局和電容器設(shè)計(jì)
在圖 2 中，三個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入位于左側(cè)，輸出位于右側(cè)。三個(gè)轉(zhuǎn)換器均位于一塊 4 層 PCB 上。從上到下分別是N4、N3、N2（反激式）。黃線是 14 AWG 電流跳線，用于測(cè)量初級(jí)和次級(jí)電流的電流互感器測(cè)試探頭。三個(gè)轉(zhuǎn)換器之間沒有電氣連接。每個(gè)有源器件都有用于緩沖電路的 RC 焊盤。根據(jù)分析，飛跨電容器和輸出電容器選擇在 20-30 F 之間，以獲得 2.5% 的紋波。添加了更多焊盤（1 F 和 10 F），以根據(jù)設(shè)備的工作情況和實(shí)驗(yàn)來微調(diào)電容。
圖2 .印刷電路板 N2（底部）、N3（中）和 N4（頂部）。圖片由IEEE Open Journal of Power Electronics提供
緩沖電路
初級(jí) FET 中有兩個(gè)緩沖電路。齊納緩沖器電路阻止開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓過高，該電壓由于關(guān)斷時(shí)存在漏感能量而增加。為了保護(hù) FET，齊納二極管設(shè)置為 27V。圖 3 顯示，齊納鉗位將電壓降至 32.03V，然后穩(wěn)定在穩(wěn)壓電壓（遠(yuǎn)低于 100V FET 額定值）。電壓刻度為 5 V/p，時(shí)間刻度為 2 s/p。初級(jí) FET 和其他有源器件具有串聯(lián) RC 緩沖器，以減少電壓振鈴。它們可以在很寬的頻率范圍內(nèi)的所有情況下工作。例如，圖 3 在 500 kHz 時(shí)幾乎沒有可見的振鈴。
圖3 .帶齊納緩沖器鉗位的初級(jí) FET 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。圖片由IEEE Open Journal of Power Electronics提供
隔離飛跨電容多電平轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)
本文討論了隔離飛跨電容多電平轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)。以下是一些要點(diǎn)。
該研究提供了有關(guān)硬件設(shè)計(jì)和組件選擇的詳細(xì)信息，包括緩沖電路和微調(diào)電容的使用。
原型設(shè)計(jì)旨在確保在指定的 40 V 輸出上進(jìn)行安全可靠的測(cè)試，同時(shí)考慮到各種操作。
本研究并未利用飛跨電容器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的較低額定電壓來實(shí)現(xiàn)更安全的測(cè)試，但未來幾代人可以使用較低額定值的半導(dǎo)體來提高效率。
與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比，隔離飛跨電容器多電平轉(zhuǎn)換器具有提高效率和降低額定電壓的潛力，使其成為電力電子應(yīng)用的有前途的替代品。
本研究開發(fā)的 N3 和 N4 轉(zhuǎn)換器在次級(jí)分別包含 2 個(gè)和 3 個(gè)電容器級(jí)，展示了通過使用飛跨電容器結(jié)構(gòu)提高效率的潛力。
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