基于SiC MOSFET的双开关反激变换器中脉冲变压器寄生电容对电压均衡的影响分析

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Voltage Sharing Between MOSFETs in a SiC-Based Two-Switch Flyback

本文针对SiC MOSFET双开关反激变换器中开关管电压不均衡问题展开研究。通过建立数学模型和仿真验证，首次揭示脉冲变压器层间电容Ctr是导致电压失衡的关键因素。研究团队构建了简化电路模型和精细化仿真模型，并通过实验验证了Ctr与电压分配比VDS1/VDS2的反比关系。该发现为宽输入电压范围工业驱动电源设计提供了重要理论依据，对提升系列连接开关器件的可靠性具有指导意义。

　　

在工业驱动系统、光伏逆变器和电动汽车等应用领域，辅助电源需要应对极端宽泛的输入电压范围（如307-1300V）并提供多路隔离输出。传统的单开关反激变换器虽然结构简单，但在高压应用中面临开关管电压应力大、箝位损耗高等挑战。为此，双开关反激变换器（Two-Switch Flyback）应运而生，通过串联两个开关管将总电压应力分摊，理论上可将每个开关管的承受电压限制在输入电压水平。然而，教科书和工程实践中长期存在一个认知误区——认为两个开关管的电压会自动均衡分配。

实际测量表明，即使在采用相同规格的SiC MOSFET（Wolfspeed C2M1000170D）且驱动信号完全同步的情况下，上下开关管的漏源电压V_DS1与V_DS2仍存在明显差异。这种失衡不仅导致开关损耗分布不均，还会引发器件老化不同步，最终影响电源系统可靠性。以往研究多将原因归结为器件参数离散性或驱动信号不对称，但芬兰阿尔托大学Joni-Markus Hietanen团队发现，脉冲变压器的层间电容才是被忽视的关键因素。

为探究这一现象，研究人员建立了包含脉冲变压器寄生电容的简化电路模型。通过数学推导得出电压分配公式V_DS1/V_{DS2=Co2/(Co1+Ctr)，证明失衡程度与层间电容Ctr呈负相关。随后构建精细化仿真模型，引入漏感效应、二极管反向恢复等实际因素，并通过80kHz工作频率、180W输出的实验样机进行验证。研究结果清晰显示，当Ctr从15pF增至62pF时，下管M2的电压应力显著升高，与理论预测高度吻合。}

关键技术方法包括：1）建立包含脉冲变压器层间电容的等效电路模型；2）采用平行板电容模型计算寄生参数；3）通过添加外置电容模拟不同变压器设计；4）利用专业仿真软件构建包含电压依赖型MOSFET电容的精细化模型；5）基于工业驱动电源规格（输入307-1300V/输出24V/180W）制作实验样机进行波形采集。

数学模型验证电压分配机制

通过分析开关瞬态过程中的电容电流关系，推导出V_Ctr=[V_in(C_o1+C_tr)-C_o2V_refl]/(C_o1+C_o2+C_tr)的精确表达式。计算结果表明，在V_in=560V、C_tr=15pF时，上管M1承受电压比理论值低8.3%，而下管M2相应升高。

仿真模型揭示动态过程

精细化模型成功复现了实际波形中的漏感振荡现象（对应图2中t₃-t₅阶段）。仿真显示，脉冲变压器放电电流i_Ctr会加速下管MOSFET的结电容充电，导致关断过程中V_DS2上升速率快于V_DS1。

实验数据确认影响规律

在1300V最大输入电压下，当C_tr增至62pF时，下管电压应力和上管差值达到峰值。实测波形与仿真结果误差小于5%，验证了模型的准确性。通过调整变压器绕制工艺（增加层间距h）可将寄生电容从62pF降至15pF，使电压不均衡度改善约60%。

本研究首次系统揭示了脉冲变压器层间电容对SiC MOSFET双开关反激变换器电压均衡的影响机制。通过理论推导、仿真验证和实验测量三重印证，指出传统认知中"系列连接开关自动均压"的局限性。研究发现电压分配比V_DS1/V_DS2与C_tr成反比，且该比值在整个输入电压范围内保持恒定，纠正了"高压输入加剧失衡"的误解。

论文提出的分析方法可推广至其他采用系列开关结构的拓扑（如双开关正激变换器），为高可靠性功率变换器设计提供了寄生参数优化指南。作者建议通过优化变压器结构（采用厚绝缘层、增加绕组间距）或在下管并联补偿电容来改善电压均衡性。这些发现对宽输入范围工业电源、车载充电器等应用具有重要工程价值，相关成果已发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》。