基于SiC的60kW LLC变换器采用新型变压器设计

文章来源：APEC2024-(Wolfspeed)

作者：Chen Wei, Jianlong Chen,Zongzeng Hu,and Fulin Zhan

注：图片报告与文字无关

基于碳化硅（SiC）器件的 LLC 谐振变换器，是利用 SiC 材料的高频、低损耗、耐高温特性与 LLC 拓扑的软开关优势相结合的高效电力变换方案，已成为新能源、工业电源、电动汽车等领域的核心技术之一。以下从基础原理、核心优势、设计要点、典型应用及挑战五个维度展开解析。

一、基础认知：LLC 谐振变换器与 SiC 器件的适配性

1. LLC 谐振变换器的核心原理

LLC 是一种串联 - 并联谐振型 DC-DC 变换器，其拓扑核心由 “开关管（高频桥臂）+ 谐振腔（Lr谐振电感、Cr谐振电容）+ 励磁电感Lm（变压器原边）” 构成，通过调频控制（PFM） 调节输出电压，本质是利用谐振腔的阻抗特性实现开关管的零电压开通（ZVS） 和整流管的零电流关断（ZCS） ，从根源上降低开关损耗。

传统 LLC 多采用硅（Si）器件（如 MOSFET、快恢复二极管 FRD），但 Si 器件的开关速度慢、反向恢复电荷（Qrr）大、导通电阻（Rds(on)）随温度升高而增大等缺陷，限制了变换器的高频化、高效率和功率密度提升。

2. SiC 器件与 LLC 拓扑的天然适配性

SiC 器件（主要为SiC MOSFET和SiC SBD（肖特基势垒二极管） ）的材料特性完美契合 LLC 的高频软开关需求：

SiC MOSFET：开关速度比 Si MOSFET 快 5~10 倍，Qrr趋近于零，Rds(on)的温度系数平缓（高温下损耗增幅小）；

SiC SBD：无反向恢复特性，导通压降低，耐高温（最高结温Tj可达 200℃以上）。

两者结合时，SiC 器件的低损耗特性可放大 LLC 的软开关优势，同时 LLC 的软开关环境又能避免 SiC 器件高频硬开关带来的寄生振荡问题，形成 “1+1>2” 的性能协同。

二、核心优势：SiC-LLC 相比硅基 LLC 的性能跃升

相比传统 Si 基 LLC 变换器，SiC-LLC 在效率、功率密度、高频化、温升控制等关键指标上实现质的突破，具体优势如下：

性能维度	硅基 LLC 变换器	SiC-LLC 变换器	提升原理
转换效率	中大功率下通常为 94%~96%	可稳定达到 97%~99%（甚至更高）	SiC MOSFET 低Rds(on)+ 零Qrr，SiC SBD 无反向恢复损耗，开关损耗降低 50% 以上
功率密度	受限于低频（通常 < 100kHz）和散热体积	可提升至 2~3 倍（如从 3kW/L 升至 8kW/L）	高频化（谐振频率可达 200kHz~1MHz）减小变压器、电感等磁性元件体积，SiC 耐高温特性简化散热
高频能力	谐振频率多低于 100kHz（高频下损耗剧增）	谐振频率可达200kHz~1MHz	SiC 器件开关速度快，高频下开关损耗占比仍极低，适配 LLC 的调频控制特性
温升与可靠性	器件损耗大，结温易接近 Si 的极限（150℃）	结温可控制在更低水平，或容忍更高环境温	SiC 器件Tj上限高（200~250℃），损耗低导致温升平缓，延长系统寿命
宽工况适应性	轻载下软开关失效风险高，效率下降明显	轻载至满载均能稳定实现软开关	SiC 器件开关特性更优，谐振腔参数设计更灵活，适配宽输入电压 / 负载范围

三、关键设计要点：SiC-LLC 的工程实现核心

SiC 器件的特性要求 LLC 变换器在拓扑选型、器件选型、参数设计、驱动与布局等环节进行针对性优化，避免 “照搬硅基设计” 导致性能浪费或失效。

1. 拓扑选型：适配功率与电压等级

根据应用场景的功率（kW 级）和输入电压（高压 / 低压），SiC-LLC 常见拓扑分为两类：

半桥 LLC：适用于中小功率（<10kW）、低压输入（如 400V 直流）场景（如车载 DC-DC），结构简单、成本较低；

全桥 LLC：适用于中大功率（>10kW）、高压输入（如 800V/1500V 直流）场景（如工业电源、光伏逆变器），功率等级更高，均流性能好。

特殊优化：部分高功率场景会引入 “SiC MOSFET 同步整流”，替代传统二极管整流，进一步降低整流侧损耗（尤其是低压大电流输出时）。

2. SiC 器件选型：MOSFET 与 SBD 的匹配

器件选型需聚焦电压、电流、开关速度三大核心参数，同时兼顾成本：

SiC MOSFET 选型：

电压等级：根据输入母线电压选择，如 400V 系统选 650V SiC MOSFET，800V 系统选 1200V SiC MOSFET；

电流等级：按 “最大工作电流 ×1.2~1.5 安全裕量” 选择，优先选Rds(on)低的型号（降低导通损耗）；

封装：中小功率选 TO-247，大功率选模块封装（如 34MM、Easy、62MM），提升散热与可靠性。

SiC SBD 选型：

用于整流侧，电压等级与 MOSFET 匹配，电流等级略高于输出电流，优先选导通压降（VF）低的型号。

3. 谐振腔参数设计：高频下的软开关匹配

谐振腔（Lr、Cr、Lm）是 SiC-LLC 的核心，参数设计需围绕 “全工况软开关 + 低谐振损耗” 目标，结合 SiC 的高频特性优化：

谐振频率（fr）：传统硅基 LLC 的fr多为50~100kHz，SiC-LLC可提升至 200kHz~500kHz（甚至1MHz），需平衡 “磁性元件体积” 与 “器件开关损耗”（频率过高会导致谐振损耗上升）；

励磁电感比（k = Lm/Lr)：k越小，软开关范围越宽，但谐振电流峰值越大（增加导通损耗）；SiC 器件低导通损耗的特性可允许更小的k值（如 0.1~0.3），拓宽软开关区间；

谐振电容（Cr）：优先选高频特性好的薄膜电容，避免电解电容的高频损耗与寿命问题。

4. 驱动与保护电路设计：适配 SiC 的开关特性

SiC MOSFET 的驱动需求与 Si MOSFET 差异显著，若驱动不当会导致开关损耗增加、器件损坏：

驱动电压：栅极开启电压（Vgs(on)）通常为 18~20V（低于 15V 可能导致Rds(on)增大，高于20V易击穿栅极），关断电压需加-5V负压（抑制米勒电容导致的误开通）；

驱动芯片：需选用 SiC 专用驱动芯片，具备高速隔离、负压关断、过流保护功能；

保护策略：增加短路保护（SCP） 和过温保护（OTP） ：SiC MOSFET 短路耐受时间短（通常 < 1μs），需快速检测（如通过源极电阻采样电流）并关断；结合热敏电阻监测结温，避免超温失效。

5. 布局与热设计：抑制寄生参数与强化散热

PCB 布局优化：SiC 高频开关会放大寄生电感（Lg、Ls）的影响，导致电压尖峰和振荡。需采用 “紧凑布局”：缩短功率回路（开关管 - 谐振腔 - 变压器）的布线长度，功率地与信号地分离，驱动回路独立屏蔽；

热设计：虽 SiC 耐高温，但高频下损耗仍需高效散热。中小功率可采用散热片 + 风扇，大功率需采用液冷系统，确保结温Tj< 200℃（建议留 50℃裕量）。

四、典型应用场景：SiC-LLC 的核心落地领域

SiC-LLC 的 “高效率、高功率密度” 特性，使其在需要严苛能效与体积要求的场景中成为首选：

1. 新能源汽车

车载充电机（OBC）：800V 高压平台车型中，SiC-LLC 作为 DC-DC 变换核心，可将 OBC 效率提升至 98% 以上，功率密度从 2kW/L 提升至 5kW/L，缩短充电时间；

动力电池充电器：工业快充站中，SiC-LLC 支持大功率（60kW 以上）变换，适配宽电压电池组，同时降低散热系统成本。

2. 工业电源

服务器电源：数据中心对电源效率（要求 80 PLUS Titanium 认证，效率 > 96%）和体积要求极高，SiC-LLC可满足 1U/2U 超薄电源设计；

激光电源、电镀电源：需高频、高精度输出，SiC-LLC 的调频控制特性可实现稳定输出，同时降低设备体积。

3. 可再生能源

光伏逆变器（DC-DC 级）：光伏组串电压高（1500V），SiC-LLC 可适配高压输入，将光伏直流电高效变换至逆变器母线，提升整机发电效率；

储能变流器（PCS）：储能系统中，SiC-LLC 实现电池侧与电网侧的高效能量双向流动，适配宽SOC（荷电状态）下的电压波动。

五、挑战与应对策略

尽管 SiC-LLC 优势显著，但工程应用中仍面临以下挑战，需针对性解决：

核心挑战	具体表现	应对策略
器件成本较高	SiC 器件价格是 Si 器件的 2~3 倍，推高系统成本	1. 规模化应用降低器件成本；2. 高频化减小磁性元件体积，抵消器件成本增幅；3. 选用国产 SiC 器件
寄生参数敏感	高频下寄生电感导致电压尖峰，击穿器件	1. 优化 PCB 布局（缩短功率回路）；2. 串联 RC 吸收电路抑制尖峰；3. 选用低寄生参数的 SiC 模块
驱动与保护复杂度高	栅极电压要求严格，短路耐受时间短	1. 采用 SiC 专用驱动芯片；2. 设计快速响应的短路检测电路（如基于磁集成电流传感器）；3. 通过仿真预演极端工况
可靠性验证难度大	高频、高温下长期可靠性数据不足	1. 选用车规 / 工业级 SiC 器件；2. 进行加速老化试验（HALT/HASS）验证

六、总结

基于SiC器件的LLC变换器，是电力电子领域 “高频化、高效化、小型化” 发展趋势的核心载体。其本质是通过SiC的材料特性释放LLC拓扑的软开关潜力，实现 “损耗 - 体积 - 效率” 的最优平衡。随着SiC器件成本下降、驱动与保护技术成熟，SiC-LLC将在更多高压、大功率场景中替代硅基方案，成为下一代电力变换的主流技术。

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