本文檔 “Designing an Isolated Gate Driver Power Supply with LLC Topology” 主要介紹了采用 LLC 拓撲結構設計隔離式柵極驅動器電源的相關內容，包括 LLC 拓撲結構在隔離式柵極驅動器電源設計中的應用、具體設計方案、變壓器設計、整流二極管選擇等方面，旨在為 IGBT 和 Si/SiC MOSFET 器件的隔離式柵極驅動器提供低成本 LLC 轉換器的設計指南，適用于汽車和工業(yè)應用，如電動汽車電機驅動器、車載充電器和并網逆變器等。
*附件：低成本 LLC 轉換器的設計指南1.0.pdf

1. LLC 拓撲結構在隔離式柵極驅動器電源設計中的應用
   • 拓撲結構優(yōu)勢 ：現(xiàn)代大功率系統(tǒng)對隔離電壓和繞組間電容有更高要求，諧振拓撲（LLC）利用漏感，可使用松耦合變壓器，減少繞組間電容和變壓器尺寸，提高效率和負載調節(jié)能力。
   • 工作原理 ：半橋初級側 MOSFET 和半橋次級側整流器適用于低功率應用。LLC 轉換器通過變壓器、勵磁電感、漏感和諧振電容等元件，使開關頻率接近諧振頻率時，諧振槽阻抗約為 0Ω，實現(xiàn)高效能量轉換，當滿足一定條件時可作為直流變壓器工作。
2. 具體設計方案
   • 采用 MPQ18913 的設計示例 ：以 SiC 器件的柵極驅動器電源設計為例，使用 MPQ18913 作為半橋變壓器驅動器，具有高開關頻率和寬輸入電壓范圍，可提高系統(tǒng)設計靈活性。通過一個齊納二極管將輸出電壓分成兩路，適用于 IGBT 或 SiC 驅動器。同時給出了 LLC 轉換器設計中各元件的選擇和相關計算公式，包括開關頻率、變壓器勵磁電感、整流二極管、輸出電容、頻率設定電阻和諧振電容等參數(shù)的計算方法及注意事項。
3. 變壓器設計
   • 磁芯材料選擇 ：為適應 MPQ18913 的高開關頻率，磁芯應能在高頻下工作，推薦相對磁導率在 100 - 1000 之間的材料，如 P9L、PC50 和 61 材料等。
   • 環(huán)形變壓器設計步驟
     1. 確定匝數(shù)比 ：根據(jù)諧振頻率下 LLC 轉換器電壓增益等于變壓器匝數(shù)比的關系，通過公式計算匝數(shù)比，同時考慮負載調節(jié)，推薦最小匝數(shù)以減小變壓器繞組電阻，公式中涉及輸出電壓下限、整流二極管壓降、電阻性壓降、輸入電壓下限和預留電壓等參數(shù)，電阻性壓降與負載電流成正比，對電源負載調節(jié)至關重要。
     2. 選擇窗口尺寸 ：根據(jù)給定匝數(shù)計算繞組線徑，考慮磁芯隔離電壓要求選擇合適絕緣層厚度的導線，同時確保環(huán)形磁芯內徑能容納繞組，通過相關公式計算磁芯內徑，公式中涉及匝數(shù)、線徑等參數(shù)。
     3. 選擇磁芯尺寸 ：根據(jù)電感每平方匝和磁芯損耗選擇磁芯尺寸，通過公式計算電感每平方匝，進而確定其他幾何參數(shù)，同時通過計算最大磁通密度并結合磁芯材料供應商提供的磁芯損耗密度，確保磁芯損耗在可接受范圍內，若損耗密度超過限制，需選擇更大有效面積或更多匝數(shù)的磁芯。
     4. 選擇變壓器骨架 ：選擇適配磁芯和繞組的骨架，確保初級和次級側引線間爬電距離滿足隔離電壓要求，如 3kV 隔離電壓額定值時爬電距離≥3.5mm，5kV 時≥7mm。變壓器制作完成后，可通過短路次級側測量初級側漏感，進而計算諧振電容。
   • 平面變壓器設計步驟
     1. 確定匝數(shù)比 ：方法與環(huán)形變壓器相同。
     2. 選擇窗口尺寸 ：若采用 6 層 PCB 布局，用中間層形成初級和次級側，通過公式計算窗口尺寸，公式涉及匝數(shù)、PCB 走線寬度、走線間距和絕緣間隙等參數(shù)，同時計算絕緣間隙和初級次級側各方向間的間隙，需考慮 PCB 預浸材料的介電強度，典型值為 250V/mil。
     3. 確定電感每平方匝 ：可通過特定公式計算最優(yōu)值，若所選磁芯材料磁導率高，可能需要氣隙來降低電感每平方匝。
     4. 選擇磁芯尺寸 ：根據(jù)總 PCB 厚度選擇磁芯內高度，選擇適配 PCB 和線圈的磁芯，通過計算最大磁通密度并結合磁芯損耗密度確保磁芯損耗可接受，超出限制時需調整磁芯選擇。變壓器制作完成后，同樣可測量漏感并計算諧振電容。
4. 整流二極管選擇 ：整流二極管的電容和反向電流會對負載調節(jié)產生負面影響，小電容有助于改善輕載時的負載調節(jié)，反向電流隨溫度升高而增加，在重載時會加重 LLC 轉換器負載。推薦使用 BAT165 或 PMEG6010CEJ 等型號的整流二極管，它們符合 AEC - Q101 標準，能在一定程度上滿足設計要求。

審核編輯 黃宇