基于GaN转换器在充电器和适配器设计中实现更高功率密度

当今充电器和适配器应用中最流行的电源转换器拓扑是准谐振 （QR） 反激拓扑，这要归功于其简单的结构和控制、低物料清单成本以及由于谷底开关操作而产生的高效率。然而，开关的频率相关开关损耗和变压器的泄漏能量损耗限制了 QR 反激转换器的最大开关频率，从而限制了功率密度。

在 QR 反激式转换器中采用GaN HEMT和平面变压器有助于提高开关频率和功率密度。然而，要为超薄充电器和适配器设计实现更高的功率密度，开关的软开关和变压器泄漏能量的回收变得必不可少。这不可避免地导致选择具有内在更高效率的转换器拓扑。

本文介绍了英飞凌的CoolGaN 集成功率级 （IPS）技术如何应用于有源钳位反激 （ACF）、混合反激 （HFB） 和 LLC 转换器拓扑。通过这种方式，充电器和适配器解决方案的设计变得更快、更容易，从而导致产品更小、更轻，或者产品能够从相同尺寸的设备提供更多电力，从而更快地为设备充电或通过一个适配器为多个设备充电。

符合条件的转换器拓扑结构可实现更高的功率密度

由于零电压开关 （ZVS） 以及无缓冲器损耗，一些半桥拓扑（例如 ACF、HFB 和 LLC 转换器）已被证明能够实现高效率，即使在非常高的开关频率下也是如此。

有源钳位反激

图 1 显示了在 ACF 转换器中运行的CoolGaN IPS的典型应用示例。在 ACF 拓扑中，当主开关关闭且钳位开关打开时，钳位开关提供了恢复存储在变压器漏感 （L lk ） 中的能量的路径。C钳位和 L lk通过钳位开关和变压器一起谐振，从而将能量传输到负载。与被动钳位反激相比，这种能量回收提高了系统效率，其中能量存储在 L lk中在传统的 RCD 钳位电路中阻尼。精心设计的 ACF 拓扑在软开关 ZVS 条件下运行；因此，它可以以比 QR 反激式高得多的开关频率运行，QR 反激式在硬开关条件下工作。这有助于减小磁性元件的尺寸，包括变压器和 EMI 滤波器。

图 1：ACF 转换器的应用电路

ACF 转换器由高边和低边开关、变压器、钳位电容器 （ Clamp ） 以及整流器和电容器的输出级组成。图 2 显示了简要说明 ACF 转换器工作原理的典型工作波形。

图 2：ACF 转换器的操作

当低侧开关打开时，ACF 转换器将能量存储在初级侧电感器和漏电感器中。之后，当低侧开关关闭时，能量被转移到输出端。在低侧开关关断期间，存储在漏感电感中的能量在高侧开关开启时传输到输出。此外，开关的 ZVS 操作进一步提高了效率。所有这些优点使 ACF 转换器的高效性能成为可能。

混合反激式

图 3 显示了CoolGaN IPS在 HFB 拓扑中运行的典型应用示例。

图 3：HFB 转换器的应用电路

HFB 转换器由高侧和低侧开关、变压器、谐振回路（L lk和 C r）以及整流器和电容器的输出级组成。它是另一种受益于功率开关的软开关操作并且可以实现高功率密度和效率的拓扑。在这种拓扑结构中，变压器漏感和励磁电感在与 LLC 转换器相同的概念下与电容器谐振。采用非互补开关模式实施的高级控制方案提供了一种支持广泛的交流输入和直流输出电压的解决方案，这是通用USB-C PD操作所必需的。

HFB 可实现原边全 ZVS 操作和副边全零电流开关 （ZCS） 操作，并回收泄漏能量，从而实现高效率。HFB 可以通过不断变化的占空比轻松实现宽输出范围。这克服了 LLC 拓扑在宽输出范围应用中的限制。有关 HFB 转换器的更多信息，请查看本文末尾的参考 1。

图 4 显示了典型的工作波形，以简要说明 HFB 转换器的工作原理。当高端开关开启时，HFB 转换器将能量存储在初级端电感中。当低侧开关打开时，存储在初级侧电感器中的能量被传输到输出端。通过在两个 MOSFET 的开关转换期间进行适当的时序控制，HFB 在两个器件的 ZVS 下运行，从而确保高系统效率而无需额外的组件。ZVS 的优势和次级侧 ZCS 操作的进一步效率提高使 HFB 成为超高功率密度转换器（如USB-PD 快速充电器）的具有成本竞争力的解决方案。

图 4：HFB 转换器的运行

LLC转换器

图 5 显示了CoolGaN IPS在半桥 LLC 拓扑中运行的典型应用示例。LLC 转换器是谐振转换器系列的一部分，这意味着调节不同于传统的脉宽调制方案。LLC 转换器以 50% 的占空比和固定的 180° 相移运行，通过频率调制实现调节。半桥 LLC 转换器由高侧和低侧开关、变压器、谐振回路（L r和 C r）以及整流器和电容器的输出级组成。

图 5：半桥 LLC 转换器的应用电路

图 6 显示了典型的工作波形，以简要说明半桥 LLC 转换器的工作原理。当高边开关打开时，半桥 LLC 转换器以供电模式运行。谐振回路由正电压激励，因此在此开关周期中电流沿正方向谐振。当低侧开关打开时，谐振回路被负电压激励，因此电流在负方向谐振。在供电运行过程中，谐振电流与励磁电流之差通过变压器和整流器到达二次侧，将电能输送到负载。

图 6：半桥 LLC 转换器的操作

此外，所有初级侧 MOSFET 在 ZVS 的情况下谐振开启，导致 MOSFET 寄生输出电容中包含的能量完全回收。同时，所有次级侧开关都随着 ZCS 谐振关闭，以最大限度地减少通常与硬开关相关的开关损耗。LLC 转换器中所有开关器件的谐振操作可将动态损耗降至最低，从而提高整体效率，尤其是在数百千赫至兆赫范围内的较高工作频率下。

为了实现高压开关的 ZVS，所有三种拓扑都利用变压器中的循环电流对开关的 Q oss进行放电。显然，更高的 Q oss需要更高的循环电流和更长的放电时间。循环电流会导致额外的变压器损耗（铁芯和绕组损耗），而放电时间会显着影响死区时间。死区时间降低了有效占空比并导致电路中的 RMS 电流更高，从而增加了传导损耗。因此，对于非常高的开关频率操作，最小化死区时间至关重要。具有R DS（on） × Q oss的优越品质因数 （FOM） ，GaN HEMT 有助于减少死区时间以及电路中的循环电流。这一优势与低驱动损耗和零反向恢复相结合，使 GaN HEMT 成为 ACF、HFB 和半桥 LLC 转换器的完美匹配。

COOLGaN IPS 和 65-W ACF 转换器评估板

为帮助进一步改善系统尺寸，英飞凌最近推出了CoolGaN IPS，它将 600-V 增强型CoolGaN 开关与专用栅极驱动器结合在一个耐热增强型小型 QFN 封装中。

为了展示 CoolGaN IPS 的性能，开发了一款采用 CoolGaN IPS IGI60F1414A1L设计的 65W ACF 转换器（图 7） 。2

图 7：采用 CoolGaN IPS 半桥的 65W ACF 评估板的俯视图

实测效率曲线（图 8）表明，它满足 CoC Tier 2 和 DoE Level VI 效率要求，即四点平均效率和 10% 负载条件效率。

图 8：不同输入电压和负载条件下的 ACF 评估板效率曲线

概括

GaN HEMT在当今的高功率密度充电器和适配器应用中变得很流行，因为与硅 MOSFET 相比，它们的 FOM 大大改进，因此可以提供高频开关。凭借其在紧凑封装中的高效率和集成栅极驱动器，由于其在 ACF、HFB 和 LLC 转换器中的完美应用 ，CoolGaN IPS 技术处于有利地位，可实现更高功率密度的充电器和适配器设计。

审核编辑：郭婷