基于SiC MOSFET的功率合成发射机∗

费广乐

（中国人民解放军南部战区海军参谋部信息保障处 湛江 524003）

1 引言

海军战略通信系统是国家战略通信系统的重要组成部分［1～2］，其中，战略核潜艇是最具震慑力的二次核打击力量［3］。考虑到未来信息化战争的特点及保障战略核潜艇实施“核按钮”指挥通信的需求［4～6］，需要有一种具备较强顽存力的对潜通信手段［7］。但潜艇所在的海水是导电介质，对电磁波具有很大的衰减作用。为克服这个难题，目前世界各国主流的对潜通信手段都是采用甚低频和极低频通信［8～9］。甚低频通信在海军战略通信系统和国防应急通信中充当着至关重要的作用。

为了提高国防安全性以及对潜通信的抗打击能力［10］，除了固定长波发射台，还应建造能够机动部署的载具平台［11］，包括路基、海基及空基等。在这些机动台中，由于载具一般是体积和供电能力受限的车辆、舰船或飞机，对系统效率和功率密度有着极高的需求。大功率高性能的甚低频发射机是长波通信中的关键设备，直接决定着整个系统的体积、重量、效率和性能［12］。

21世纪以来，以IGBT和MOSFET为代表的全控型硅基电力电子开关器件已服务于我国的各大长波通信台上。但由于30kHz的工作频率已经逼近 IGBT的速度极限，因而损耗也较大［13～14］；而硅基MOSFET虽然速度更快，但容量较小，功率密度也不高［15］。因此基于硅基IGBT和MOSFET的长波通信台功率一般都较低。

以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体器件正好可以填补这个空白［16］。SiC MOSFET不仅开关速度快、效率高，而且单管功率相比传统硅基MOSFET提高了10倍以上，功率密度大幅提高［17～18］。不仅适用于大功率的固定长波发射台，而且特别适用于机动部署的载具平台。研发基于SiC的甚低频长波通信系统对于提高我国的战略威慑力具有至关重要的意义。本文即研究基于SiC MOSFET的功率合成发射机。

2 基于SiC MOSFET的功率合成发射机

为提高甚低频发射机对于体积、重量、效率、谐波等性能指标，本文设计的功率合成发射机主电路结构如图1所示，包括可调直流电源、级联功率桥、高频隔离变压器以及天线负载等部分。发射机的功率桥采用输入并联输出串联结构，不仅结构简单，模块化强，易于扩展，而且输出侧的高压通过高频变压器与原边隔离，功率桥绝缘要求低，安全性能好。根据总输出功率的要求以及每个功率桥的最大输出功率，可以使用多级功率桥串联。

图1 基于SiC MOSFET的功率合成发射机主电路

2.1 可调直流电源

为了使得发射机输出功率可调，同时提高发射机的输出阻抗，必须设计输出电压可调的高功率密度直流供电电源。采用传统晶闸管相控整流的直流电源不仅谐波大，功率因数低，而且效率低，体积笨重。本文采用Boost电路实现270V直流输入，输出270V～600V直流可调。

图2 采用传统Boost升压电路的可调直流电源

图2为采用传统Boost升压电路图。可调直流电源的输入为270V直流，电容C1、C2、电感L、开关器件S以及二极管D构成了一个Boost电路，用于将输入直流升压［19］。

为了减小电流纹波和电感体积，必须尽量提高开关管S的工作频率。为提高效率和功率密度，开关管和二极管均采用SiC MOSFET模块，一方面可以大幅提高开关频率，减小滤波电感L体积，另一方面，SiC二极管的反向恢复损耗几乎为0，二极管损耗可大大减小。

传统Boost升压电路拓扑结构简单、效率高、易于控制，但是受到器件容量的制约，特别是在采用SiC MOSFET条件下，可选择的模块类型极其有限，本文设计方案采用交错并联技术解决此问题，它通过多个变换器交错并联，每一路开关器件通过电流仅为输入电流的一部分，降低了开关的容量要求［20～21］。其原理图如图3所示。

图3 采用交错并联Boost升压电路的可调直流电源

1）器件选型

考虑到Boost电路中的电流变化率、电流峰值，同时为降低支撑电容的容量和EMC问题，设计方案选择了交错并联Boost电路，其驱动波形交错180度，基于以上方案，按照额定值计算如下。

输入电压为270V直流电压，输出最大电压600V直流电压，主开关占空比为

由于实际回路电源内阻，回路电阻的存在，实际占空比会比以上计算结果稍高。根据设计需求，额定情况下输出波形占空比为55%方波，方波高电平电压值为600V，后端为输出50%占空比方波的H桥电路，其输出电流峰值为200A，有效值为100A，开关频率30kHz。综合考虑选用CREE公司CAS300M12BM2型号的MOSFET半桥模块，其VDS为1200V，ID为404A，符合设计要求。

2）电感值计算

由于采用交错并联电路结构方式，功率分别有两路Boost电路提供，且两路电路参数一致，可以由能量守恒计算出在临界状态使用的电感值。开关频率为30kHz，则开关周期T为

再结合 D=0.55，Ton=DT=18.3μs，Toff=（1-D）T=15μs。为方便计算，把负载等效为纯阻性负载，设平均功率P=30kW，Uo=600VDC，则

根据Boost电路的基本公式：

可得能够使得输出电流连续电感临界值为49.5μH，为限制电流变化率，综合考虑实际工况，电感选型结果为50A/100μH/350V。

2.2 级联功率桥

级联功率桥部分采用多级H桥级联的拓扑替代传统单级H桥拓扑，多级H桥级联的拓扑优点为开关管电压应力低，输出电平数多可以有效减小输出滤波器，dv/dt小从而可以有效减小电磁干扰。

但是受限于发射机的功率密度和容量，要求单个功率桥功率大，因此所需串联的功率桥单元数量少，输出电压谐波较大。为了减小输出滤波器的体积和重量，必须在控制算法上尽可能减小输出电压的低次谐波。通过合理选取导通角度可以实现低次谐波的抑制。首先将输出方波进行傅里叶分解，对于方波，设其在时域内的表达式为

分别求得傅里叶级数系数为

故可得信号的傅里叶级数为

功率合成时，两功率桥输出相同波形，但是相角相差角度φ，即功率桥1和功率桥2的输出分别为

三次谐波分量

n次谐波分量

通过以上计算可以获知，可以通过调整φ来调整削弱谐波分量，甚至可以通过调整φ达到完全消除某一次谐波的目的，当我们想完全消除3次谐波分量时，需满足

求解上述超越方程可知

为了求解φ在0～π之间的解，当k=-1时，有φ=π/3，即在两功率桥输出电压的相角应相差角度为π 3，如图4所示。

图4 移相示意图

依据以上分析，采用谐波抑制算法后合成的输出电压波形中将不含有三次谐波分量，根据傅里叶分级公式可知高次谐波分量幅值相比于基波和三次谐波，其幅值较小，同时在经过滤波器之后，可有效滤除高次谐波分量，从而满足电源的谐波质量要求。

3 搭建发射机Matlab/Simulink仿真

为验证技术原理和参数设计合理性和可行性，在Matlab/Simulink仿真平台中搭建系统平均值模型进行仿真分析，所搭建的仿真模型如图5所示。

在仿真分析中，对系统的动态特性和稳态特性分别加以验证。在Matlab中通过控制S函数控制模型中3组12个开关的状态，控制建模图如图6所示。

图5 仿真建模图

图6 控制建模

可调直流电源内部电路采用的是交错并联的Boost电路，输出为可调的直流电压，单路Boost电路的输入电流应为开关频率下的锯齿波，两路Boost电路并联运行中每一输入电流为开关频率下的锯齿波，两路并联后输入电流为二倍开关频率的锯齿波，后级功率桥正常工作，按前述策略输出阶梯波以模拟正弦波电压，负载类型为阻感负载，Boost及功率桥输出电压，输入电流波形如图7所示。从上到下依次为可调直流电源输出电流（A）、单路Boost输入电流（A）、可调直流电源输出电压（V）。

图7 阻感负载时可调直流电源仿真电压电流图

此时变压器串联后输出电压波形即为预期的阶梯波，如图8所示。从上到下依次为为输出到阻感负载上时的电流（A）和电压（V）波形。

如果将感性负载切掉，只保留纯阻性，且阻值较大时，可调直流电源仍可保持较好的电压输出。此时仿真结果如图9所示，从上到下依次为可调直流电源输出电流（A）、单路Boost输入电流（A）、可调直流电源输出电压（V）。

此时输出到负载上的电压电流波形如图10所示。从上到下依次为为输出到阻性负载上时的电流（A）和电压（V）波形。

图8 阻感负载时变压器输出仿真电流电压图

图9 阻性负载时可调直流电源仿真电压电流图

图10 阻性负载时变压器输出仿真电流电压图

4 交错并联结构闭环控制算法设计

可调直流电源中，为实现输出电压稳定且连续可调，控制上采用电压电流双闭环控制，其控制框图如图11所示。

在此次设计方案中，为提高功率密度，采用了宽禁带半导体器件，提高开关器件的开关频率，使得电感充放电时间较短，电感体积明显减小，但是同时也限制了控制周期的大小，为提高控制性能，减小输出电压电流纹波，尽量减小控制周期，为保证在有限时间内完成控制算法的计算任务，对核心控制器的计算能力提出较高要求，传统嵌入式设计中，多采用MUC或DSP等串行计算芯片，该类芯片计算能力受到其计算模式的限制，同时只能进行一项计算任务，少数高端控制器可进行双核双线程计算，但是如果采用CPLD或FPGA等并行计算的控制器，则可实现多线程计算，即可同时进行算法计算、电压电流采样、上位机下位机端口通讯、PWM指令发送等多个任务，但是并行计算语言，在编程设计上设计时序设计，在电压电流双闭环设计的算法中进行时序编程设计，对编程者的要求较高，调试工作巨大，但为保证设备整体性能，本方案选用并行计算。

5 结语

本文引出了研发基于SiC的甚低频长波通信系统的重要意义，并详细分析了基于SiC MOSFET的功率合成发射机基本原理。通过理论分析和计算，选型出符合本发射机电压电流额定参数且在市场上已批量在售的SiC MOSFET型号，以及选型出合适的高频电感和母线电容。并通过Matlab/Simu⁃link软件进行仿真，搭建S函数进行控制，得到了负载为阻感和纯阻性时，可调直流电源的输出电压，输出电流，单路Boost输出电流波形，以及串联变压器后的输出电压和输出电流波形，验证了本文拓扑搭建和参数设计的合理性。