3300W双向移相全桥DC - DC转换器：高效设计与性能分析

一、引言

在开关电源（SMPS）领域，近年来的趋势是在优化成本的同时提高功率密度。实现更高的功率密度，高效率是关键参数，因为必须将散热降至最低。传统上，像LLC这样的全谐振拓扑被认为是在这个功率范围和电压等级中实现高效率的最佳方法。然而，英飞凌的3300W双向移相全桥（PSFB）转换器展示了半导体技术和控制算法的进步如何使PSFB这种简单且广为人知的拓扑达到传统上认为该拓扑无法企及的高效率水平。

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二、系统概述

2.1 系统描述

EVAL_3K3W_BIDI_PSFB设计采用全桥配置的PSFB和同步整流器（SR）。控制由英飞凌的XMC4200微控制器实现，它具备电压调节功能，采用峰值电流模式控制、突发模式操作、输出过流保护（OCP）、过压保护（OVP）、软启动、SR控制、自适应时序（桥和同步整流器）以及串行通信接口等功能。

转换器的标称输出为电信级电压（54.5V）或48V电池充电器的工作范围（60V - 40V）。其标称输入电压为400V，在满载（标称输出电压54.5V）时可调节至360V，为设计作为完整AC - DC转换器的一部分时提供了保持时间的空间。转换器的开关频率为100kHz，设计在90kHz - 110kHz频率范围内进行了优化。

2.2 电路板描述

3300W双向PSFB电路板的外形尺寸为208mm x 83mm x 44mm，功率密度达到 (4.34W/cm³(71.19W/in³))。通过对转换器沿负载的损耗分布估计，发现变压器和其他磁性元件是主要的损耗源。600V CoolMOS™ CFD7和150V OptiMOS™ 5半导体器件性能卓越，在开关损耗和传导损耗之间实现了良好的平衡。

三、关键器件分析

3.1 CoolMOS™ CFD7

IPL60R075CFD7是英飞凌最新且性能最佳的快速体二极管器件，采用ThinPAK封装。它在所有负载范围内的损耗贡献较低，在50%负载点时，传导损耗和开关损耗达到良好平衡。为了更好地分配功率损耗和提高SMD器件的散热性能，HV桥的每个位置由两个IPL60R075CFD7并联组成。

3.1.1 (R_{DS(on)}) 比较

CoolMOS™ CFD7在SMD ThinPAK封装中的电流组合范围从225mΩ（最大）到60mΩ（最大）。在本设计中，选择IPL60R075CFD7是在100%、50%和10%负载点性能之间的最佳折衷。不同的 (R{DS(on)}) 会对效率产生影响，通过估计不同 (R{DS(on)}) 水平下的效率，可以为不同工作点的性能优化提供参考。

3.1.2 与CoolMOS™ CFD2比较

CoolMOS™ CFD2在SMD ThinPAK封装中的电流组合范围从725mΩ（最大）到165mΩ（最大）。与CFD2相比，CFD7在中负载和满负载时具有更低的 (R_{DS(on)}) ，且在轻负载和中等负载时开关损耗没有妥协。因此，在所有负载范围内，CFD7的性能都优于CFD2。

3.2 变压器

主变压器的匝数比为21:4，在标称条件下（400V输入，54.5V输出）有效占空比为71.7%，在100kHz开关频率下为3.59µs。最大磁通峰值（稳态）约为0.19T，远低于所选磁芯材料DMR95的饱和磁通密度。

变压器采用PQI35/23磁芯几何形状的类平面结构，初级绕组使用来自古河制造商的七股0.3mm直径的三重绝缘利兹线，次级绕组由厚度为0.6mm的平行镀锡铜板制成。这种绕组技术和磁芯几何形状实现了良好的耦合（低泄漏，约500nH），并具有相对较低的绕组内和绕组间电容。初级和次级绕组的交错实现了几乎全窗口利用，并最小化了邻近损耗。

3.3 冷却解决方案

全SMD设计的冷却解决方案包括为HV桥器件设置的四个铜板和为SR LV器件设置的两个铜板。变压器的次级侧绕组由铜板构成，也作为次级侧LV器件的散热器的一部分。

单个风扇从设备中抽取空气，由于HV桥散热器的结构，空气能够沿着其不间断流动，从而保持低气压并最大化气流能力。风扇速度会根据负载进行调制，以实现最佳效率，因为在轻负载时所需的冷却努力较少。根据对HV桥器件（8 x IPL60R075CFD7）的损耗估计和测量的温度，可估算出该冷却解决方案从结到空气的热阻约为5.5°C/W。

3.4 EiceDRIVER™ 2EDSx和2EDFx隔离栅极驱动器

EiceDRIVER™ 2EDi是一系列快速双通道隔离MOSFET栅极驱动器IC，通过无芯变压器（CT）技术提供功能（2EDFx）或增强（2EDSx）输入到输出隔离。它具有高驱动电流、出色的共模抑制和快速信号传播特性，适用于驱动中高压MOSFET（CoolMOS™、OptiMOS™）。

其特点包括：4A / 8A或1A / 2A源/灌输出电流，低欧姆输出级允许在该拓扑中快速开启和关闭HV桥CoolMOS™；PWM信号传播延迟典型值为37ns，通道间失配为3ns，传播延迟变化为 +7/-6 ns；共模瞬态抗扰度（CMTI）>150V/ns；在输入侧欠压锁定（UVLO）情况下可实现快速安全关断。

与栅极驱动器变压器相比，使用隔离栅极驱动器具有增加功率密度、提高占空比能力和驱动频率能力等优点。

四、验证设置

4.1 降压模式

验证降压模式的建议设置包括：能够提供400V和至少3400W（测试到满载时）的HV电源，以及0V - 60V的LV电子负载（恒流模式，测试到满载时至少3300W）。转换器的标称输入电压为400V，在375V开始工作，滞后窗口为415V - 350V。

4.2 升压模式

验证升压模式的建议设置包括：能够提供330V - 380V和至少1A（用于预充电大容量电容器）的HV电源，0V - 400V的HV电子负载（恒流模式，测试到满载时至少3300W），以及0V - 58V和至少3500W（测试到满载时）的LV电源。在HV电源和HV负载之间可能需要放置一个HV二极管，以在3300W PSFB转换器启动后解耦HV电源。

五、性能测试结果

5.1 降压模式结果

5.1.1 规格和测试结果

在降压模式下，转换器的效率在1500W（50%负载）时达到98%，输出电压范围为60V - 40V，稳态输出电压纹波小于200mVpk - pk，在负载瞬变时输出电压变化小于450mVpk，过流保护在不同电流和时间条件下有相应的动作。

5.1.2 性能和稳态波形

IPL60R075CFD7的低 (E_{oss}) 能量使得滞后桥臂（开关C、D）在空载时实现全零电压开关（ZVS），领先桥臂（开关A、B）在轻负载条件下实现部分ZVS，在20%负载及以上时实现全ZVS。同步整流器采用全桥配置，由16个9.3mΩ 150V OptiMOS™ 5组成，能够更好地分散功率损耗，提高散热能力和性能。

控制器实现了峰值电流控制模式，动态响应与设计的补偿网络预期响应良好相关，在50%负载跳变时过冲和下冲在标称输出电压的1%以内。软启动序列确保转换器以最小的应力启动，在轻负载条件下采用突发模式以进一步降低功率损耗。控制器还包括恒功率限制曲线，以保持最大3300W的输出功率。

5.2 升压模式结果

5.2.1 操作

在升压模式下，3300W双向PSFB作为隔离升压转换器工作。输出滤波电感（Lo）成为升压电感，SR MOSFETs作为升压开关，HV桥作为升压二极管并提供同步整流以减少LV MOSFETs的漏极电压过冲。

5.2.2 性能和稳态波形

转换器确保HV MOSFETs在任何条件下实现全或部分ZVS。在轻载或空载时，通过在LV MOSFETs侧强制连续导通模式（CCM）并循环足够的能量，实现HV桥的部分ZVS。LV MOSFETs在升压模式下为硬开关导通，这是降压和升压模式之间损耗差异的主要原因。

5.2.3 启动

在升压模式下，转换器需要HV轨预充电到最小电压才能启动。软启动序列确保从第一个脉冲开始HV MOSFETs实现全或部分ZVS，具有低或无漏极电压过冲和光滑的过渡。

5.2.4 突发模式

在升压模式下，转换器在轻载或空载时保持开关并循环足够的能量以实现HV MOSFETs的部分ZVS。当输出电压高于标称调节水平（如负载跳变）时，会出现突发模式。

六、用户界面

控制器包括串行通信接口（UART）和协议，允许对HV和LV MOSFETs的时序、输出电压设置、保护激活/停用以及状态监控进行参数化。提供了两种版本的GUI：高级用户界面具有运行时参数化功能，可设置死区时间、电压和电流阈值、保护和工作模式；简化用户界面用于在运行时监控转换器。

七、总结

本文介绍的3300W双向DC - DC转换器采用英飞凌的技术，在降压模式下效率达到98%，升压模式下达到97%，功率密度达到 (4.34W/cm³(71.19W/in³))。英飞凌的CoolMOS™ CFD7结合低寄生封装和优化布局，以及创新的冷却概念，实现了高性能和最小应力。该DC - DC转换器证明了PSFB拓扑与英飞凌最新技术结合时，能够达到全谐振拓扑的高效率水平，并且通过数字控制和XMC™微控制器的创新控制技术，PSFB拓扑可以作为双向DC - DC级使用，而无需对传统设计进行更改。

对于电子工程师来说，这个设计提供了一个很好的参考案例，在实际应用中，大家可以根据具体需求对各个参数和器件进行调整和优化，以满足不同的应用场景。你在实际设计中有没有遇到过类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。