當(dāng)今充電器和適配器應(yīng)用中最流行的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫菧?zhǔn)諧振 （QR） 反激拓?fù)洌@要?dú)w功于其簡單的結(jié)構(gòu)和控制、低物料清單成本以及由于谷底開關(guān)操作而產(chǎn)生的高效率。然而，開關(guān)的頻率相關(guān)開關(guān)損耗和變壓器的泄漏能量損耗限制了 QR 反激轉(zhuǎn)換器的最大開關(guān)頻率，從而限制了功率密度。

在 QR 反激式轉(zhuǎn)換器中采用GaN HEMT和平面變壓器有助于提高開關(guān)頻率和功率密度。然而，要為超薄充電器和適配器設(shè)計實現(xiàn)更高的功率密度，開關(guān)的軟開關(guān)和變壓器泄漏能量的回收變得必不可少。這不可避免地導(dǎo)致選擇具有內(nèi)在更高效率的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

本文介紹了英飛凌的CoolGaN 集成功率級 （IPS）技術(shù)如何應(yīng)用于有源鉗位反激 （ACF）、混合反激 （HFB） 和 LLC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｍㄟ^這種方式，充電器和適配器解決方案的設(shè)計變得更快、更容易，從而導(dǎo)致產(chǎn)品更小、更輕，或者產(chǎn)品能夠從相同尺寸的設(shè)備提供更多電力，從而更快地為設(shè)備充電或通過一個適配器為多個設(shè)備充電。

符合條件的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更高的功率密度

由于零電壓開關(guān) （ZVS） 以及無緩沖器損耗，一些半橋拓?fù)洌ɡ?ACF、HFB 和 LLC 轉(zhuǎn)換器）已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，即使在非常高的開關(guān)頻率下也是如此。

有源鉗位反激

圖 1 顯示了在 ACF 轉(zhuǎn)換器中運(yùn)行的CoolGaN IPS的典型應(yīng)用示例。在 ACF 拓?fù)渲校?dāng)主開關(guān)關(guān)閉且鉗位開關(guān)打開時，鉗位開關(guān)提供了恢復(fù)存儲在變壓器漏感 （L lk ） 中的能量的路徑。C鉗位和 L lk通過鉗位開關(guān)和變壓器一起諧振，從而將能量傳輸?shù)截?fù)載。與被動鉗位反激相比，這種能量回收提高了系統(tǒng)效率，其中能量存儲在 L lk中在傳統(tǒng)的 RCD 鉗位電路中阻尼。精心設(shè)計的 ACF 拓?fù)湓谲涢_關(guān) ZVS 條件下運(yùn)行；因此，它可以以比 QR 反激式高得多的開關(guān)頻率運(yùn)行，QR 反激式在硬開關(guān)條件下工作。這有助于減小磁性元件的尺寸，包括變壓器和 EMI 濾波器。

圖 1：ACF 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路

ACF 轉(zhuǎn)換器由高邊和低邊開關(guān)、變壓器、鉗位電容器 （ Clamp ） 以及整流器和電容器的輸出級組成。圖 2 顯示了簡要說明 ACF 轉(zhuǎn)換器工作原理的典型工作波形。

圖 2：ACF 轉(zhuǎn)換器的操作

當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)打開時，ACF 轉(zhuǎn)換器將能量存儲在初級側(cè)電感器和漏電感器中。之后，當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)關(guān)閉時，能量被轉(zhuǎn)移到輸出端。在低側(cè)開關(guān)關(guān)斷期間，存儲在漏感電感中的能量在高側(cè)開關(guān)開啟時傳輸?shù)捷敵觥４送猓_關(guān)的 ZVS 操作進(jìn)一步提高了效率。所有這些優(yōu)點(diǎn)使 ACF 轉(zhuǎn)換器的高效性能成為可能。

混合反激式

圖 3 顯示了CoolGaN IPS在 HFB 拓?fù)渲羞\(yùn)行的典型應(yīng)用示例。

圖 3：HFB 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路

HFB 轉(zhuǎn)換器由高側(cè)和低側(cè)開關(guān)、變壓器、諧振回路（L lk和 C r）以及整流器和電容器的輸出級組成。它是另一種受益于功率開關(guān)的軟開關(guān)操作并且可以實現(xiàn)高功率密度和效率的拓?fù)洹Ｔ谶@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器漏感和勵磁電感在與 LLC 轉(zhuǎn)換器相同的概念下與電容器諧振。采用非互補(bǔ)開關(guān)模式實施的高級控制方案提供了一種支持廣泛的交流輸入和直流輸出電壓的解決方案，這是通用USB-C PD操作所必需的。

HFB 可實現(xiàn)原邊全 ZVS 操作和副邊全零電流開關(guān) （ZCS） 操作，并回收泄漏能量，從而實現(xiàn)高效率。HFB 可以通過不斷變化的占空比輕松實現(xiàn)寬輸出范圍。這克服了 LLC 拓?fù)湓趯捿敵龇秶鷳?yīng)用中的限制。有關(guān) HFB 轉(zhuǎn)換器的更多信息，請查看本文末尾的參考 1。

圖 4 顯示了典型的工作波形，以簡要說明 HFB 轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開關(guān)開啟時，HFB 轉(zhuǎn)換器將能量存儲在初級端電感中。當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)打開時，存儲在初級側(cè)電感器中的能量被傳輸?shù)捷敵龆恕Ｍㄟ^在兩個 MOSFET 的開關(guān)轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r序控制，HFB 在兩個器件的 ZVS 下運(yùn)行，從而確保高系統(tǒng)效率而無需額外的組件。ZVS 的優(yōu)勢和次級側(cè) ZCS 操作的進(jìn)一步效率提高使 HFB 成為超高功率密度轉(zhuǎn)換器（如USB-PD 快速充電器）的具有成本競爭力的解決方案。

圖 4：HFB 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行

LLC轉(zhuǎn)換器

圖 5 顯示了CoolGaN IPS在半橋 LLC 拓?fù)渲羞\(yùn)行的典型應(yīng)用示例。LLC 轉(zhuǎn)換器是諧振轉(zhuǎn)換器系列的一部分，這意味著調(diào)節(jié)不同于傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制方案。LLC 轉(zhuǎn)換器以 50% 的占空比和固定的 180° 相移運(yùn)行，通過頻率調(diào)制實現(xiàn)調(diào)節(jié)。半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器由高側(cè)和低側(cè)開關(guān)、變壓器、諧振回路（L r和 C r）以及整流器和電容器的輸出級組成。

圖 5：半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路

圖 6 顯示了典型的工作波形，以簡要說明半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高邊開關(guān)打開時，半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器以供電模式運(yùn)行。諧振回路由正電壓激勵，因此在此開關(guān)周期中電流沿正方向諧振。當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)打開時，諧振回路被負(fù)電壓激勵，因此電流在負(fù)方向諧振。在供電運(yùn)行過程中，諧振電流與勵磁電流之差通過變壓器和整流器到達(dá)二次側(cè)，將電能輸送到負(fù)載。

圖 6：半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器的操作

此外，所有初級側(cè) MOSFET 在 ZVS 的情況下諧振開啟，導(dǎo)致 MOSFET 寄生輸出電容中包含的能量完全回收。同時，所有次級側(cè)開關(guān)都隨著 ZCS 諧振關(guān)閉，以最大限度地減少通常與硬開關(guān)相關(guān)的開關(guān)損耗。LLC 轉(zhuǎn)換器中所有開關(guān)器件的諧振操作可將動態(tài)損耗降至最低，從而提高整體效率，尤其是在數(shù)百千赫至兆赫范圍內(nèi)的較高工作頻率下。

為了實現(xiàn)高壓開關(guān)的 ZVS，所有三種拓?fù)涠祭米儔浩髦械难h(huán)電流對開關(guān)的 Q oss進(jìn)行放電。顯然，更高的 Q oss需要更高的循環(huán)電流和更長的放電時間。循環(huán)電流會導(dǎo)致額外的變壓器損耗（鐵芯和繞組損耗），而放電時間會顯著影響死區(qū)時間。死區(qū)時間降低了有效占空比并導(dǎo)致電路中的 RMS 電流更高，從而增加了傳導(dǎo)損耗。因此，對于非常高的開關(guān)頻率操作，最小化死區(qū)時間至關(guān)重要。具有R DS（on） × Q oss的優(yōu)越品質(zhì)因數(shù) （FOM） ，GaN HEMT 有助于減少死區(qū)時間以及電路中的循環(huán)電流。這一優(yōu)勢與低驅(qū)動損耗和零反向恢復(fù)相結(jié)合，使 GaN HEMT 成為 ACF、HFB 和半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器的完美匹配。

COOLGaN IPS 和 65-W ACF 轉(zhuǎn)換器評估板

為幫助進(jìn)一步改善系統(tǒng)尺寸，英飛凌最近推出了CoolGaN IPS，它將 600-V 增強(qiáng)型CoolGaN 開關(guān)與專用柵極驅(qū)動器結(jié)合在一個耐熱增強(qiáng)型小型 QFN 封裝中。

為了展示 CoolGaN IPS 的性能，開發(fā)了一款采用 CoolGaN IPS IGI60F1414A1L設(shè)計的 65W ACF 轉(zhuǎn)換器（圖 7） 。2

圖 7：采用 CoolGaN IPS 半橋的 65W ACF 評估板的俯視圖

實測效率曲線（圖 8）表明，它滿足 CoC Tier 2 和 DoE Level VI 效率要求，即四點(diǎn)平均效率和 10% 負(fù)載條件效率。

圖 8：不同輸入電壓和負(fù)載條件下的 ACF 評估板效率曲線

概括

GaN HEMT在當(dāng)今的高功率密度充電器和適配器應(yīng)用中變得很流行，因為與硅 MOSFET 相比，它們的 FOM 大大改進(jìn)，因此可以提供高頻開關(guān)。憑借其在緊湊封裝中的高效率和集成柵極驅(qū)動器，由于其在 ACF、HFB 和 LLC 轉(zhuǎn)換器中的完美應(yīng)用 ，CoolGaN IPS 技術(shù)處于有利地位，可實現(xiàn)更高功率密度的充電器和適配器設(shè)計。

審核編輯：郭婷