采用 LLC 拓扑结构设计隔离式栅极驱动器电源,低成本 LLC 转换器的设计指南

本文档 “Designing an Isolated Gate Driver Power Supply with LLC Topology” 主要介绍了采用 LLC 拓扑结构设计隔离式栅极驱动器电源的相关内容，包括 LLC 拓扑结构在隔离式栅极驱动器电源设计中的应用、具体设计方案、变压器设计、整流二极管选择等方面，旨在为 IGBT 和 Si/SiC MOSFET 器件的隔离式栅极驱动器提供低成本 LLC 转换器的设计指南，适用于汽车和工业应用，如电动汽车电机驱动器、车载充电器和并网逆变器等。
*附件：低成本 LLC 转换器的设计指南1.0.pdf

1. LLC 拓扑结构在隔离式栅极驱动器电源设计中的应用
   • 拓扑结构优势 ：现代大功率系统对隔离电压和绕组间电容有更高要求，谐振拓扑（LLC）利用漏感，可使用松耦合变压器，减少绕组间电容和变压器尺寸，提高效率和负载调节能力。
   • 工作原理 ：半桥初级侧 MOSFET 和半桥次级侧整流器适用于低功率应用。LLC 转换器通过变压器、励磁电感、漏感和谐振电容等元件，使开关频率接近谐振频率时，谐振槽阻抗约为 0Ω，实现高效能量转换，当满足一定条件时可作为直流变压器工作。
2. 具体设计方案
   • 采用 MPQ18913 的设计示例 ：以 SiC 器件的栅极驱动器电源设计为例，使用 MPQ18913 作为半桥变压器驱动器，具有高开关频率和宽输入电压范围，可提高系统设计灵活性。通过一个齐纳二极管将输出电压分成两路，适用于 IGBT 或 SiC 驱动器。同时给出了 LLC 转换器设计中各元件的选择和相关计算公式，包括开关频率、变压器励磁电感、整流二极管、输出电容、频率设定电阻和谐振电容等参数的计算方法及注意事项。
3. 变压器设计
   • 磁芯材料选择 ：为适应 MPQ18913 的高开关频率，磁芯应能在高频下工作，推荐相对磁导率在 100 - 1000 之间的材料，如 P9L、PC50 和 61 材料等。
   • 环形变压器设计步骤
     1. 确定匝数比 ：根据谐振频率下 LLC 转换器电压增益等于变压器匝数比的关系，通过公式计算匝数比，同时考虑负载调节，推荐最小匝数以减小变压器绕组电阻，公式中涉及输出电压下限、整流二极管压降、电阻性压降、输入电压下限和预留电压等参数，电阻性压降与负载电流成正比，对电源负载调节至关重要。
     2. 选择窗口尺寸 ：根据给定匝数计算绕组线径，考虑磁芯隔离电压要求选择合适绝缘层厚度的导线，同时确保环形磁芯内径能容纳绕组，通过相关公式计算磁芯内径，公式中涉及匝数、线径等参数。
     3. 选择磁芯尺寸 ：根据电感每平方匝和磁芯损耗选择磁芯尺寸，通过公式计算电感每平方匝，进而确定其他几何参数，同时通过计算最大磁通密度并结合磁芯材料供应商提供的磁芯损耗密度，确保磁芯损耗在可接受范围内，若损耗密度超过限制，需选择更大有效面积或更多匝数的磁芯。
     4. 选择变压器骨架 ：选择适配磁芯和绕组的骨架，确保初级和次级侧引线间爬电距离满足隔离电压要求，如 3kV 隔离电压额定值时爬电距离≥3.5mm，5kV 时≥7mm。变压器制作完成后，可通过短路次级侧测量初级侧漏感，进而计算谐振电容。
   • 平面变压器设计步骤
     1. 确定匝数比 ：方法与环形变压器相同。
     2. 选择窗口尺寸 ：若采用 6 层 PCB 布局，用中间层形成初级和次级侧，通过公式计算窗口尺寸，公式涉及匝数、PCB 走线宽度、走线间距和绝缘间隙等参数，同时计算绝缘间隙和初级次级侧各方向间的间隙，需考虑 PCB 预浸材料的介电强度，典型值为 250V/mil。
     3. 确定电感每平方匝 ：可通过特定公式计算最优值，若所选磁芯材料磁导率高，可能需要气隙来降低电感每平方匝。
     4. 选择磁芯尺寸 ：根据总 PCB 厚度选择磁芯内高度，选择适配 PCB 和线圈的磁芯，通过计算最大磁通密度并结合磁芯损耗密度确保磁芯损耗可接受，超出限制时需调整磁芯选择。变压器制作完成后，同样可测量漏感并计算谐振电容。
4. 整流二极管选择 ：整流二极管的电容和反向电流会对负载调节产生负面影响，小电容有助于改善轻载时的负载调节，反向电流随温度升高而增加，在重载时会加重 LLC 转换器负载。推荐使用 BAT165 或 PMEG6010CEJ 等型号的整流二极管，它们符合 AEC - Q101 标准，能在一定程度上满足设计要求。

审核编辑 黄宇