GaN实现下一代高频电路

提高功率密度的关键是提高开关频率，以最大限度地减少无源元件，例如变压器、EMI 滤波器、大容量电容器和输出电容器，同时保持或提高效率。自 1996 年以来，学术界已经提出了诸如有源钳位反激 (ACF) 之类的高速拓扑结构1，但由于硅的开关（Q GD、T rr、C OSS）性能不佳而受挫，2更不用说复杂性和系统成本。

氮化镓 (GaN) 3是一种“宽带隙”材料，因为它提供比硅大 3 倍的电子带隙，这意味着 GaN 可以处理 10 倍强的电场，并以非常小的芯片提供高功率。借助更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻 (R DS(on) ) 和电容 (Q GD、C OSS、零 T rr )，从而使开关速度提高了 100 倍。为了提供符合 GaN 承诺的实际性能，GaN 电源 IC 4单片集成了 GaN 电源 (FET) 和驱动器，以高速控制和保护 GaN 电源开关。

提出了三种新拓扑：50-W 脉冲 ACF、300-W CrCM 图腾柱 PFC 和 1-kW 半桥 LLC。

脉冲 ACF：电解大容量电容器消除

多年来，大容量电容器的减少——或完全去除——一直是一种难以捉摸的拓扑结构，几乎没有成功。大容量电容器额定值 (µF) 由所需的输出功率、交流线路电压和交流线路频率决定。额定值是在每个 AC 线路周期为电容器充电和放电以提供必要的输出功率之间的平衡行为，同时保持提供恒定 DC 输出电压所需的最小 DC 保持电压水平 (~400 V)。增加电源转换级本身的开关频率对大容量电容器的尺寸没有影响，因此它不会受益于我们使用磁性元件获得的相同频率到尺寸的减小。即使开关频率增加到足够高，使磁性缩小到基于 PCB 的“空气芯”，

但是，如果我们将转换器的输出要求从严格调节的直流电压更改为整流的交流电压，那么我们就可以改变游戏规则。通过脉冲输出，我们可以得到一个经过整流的交流大容量电容器电压，这使得大容量电容器的电容值大大降低，直流母线电压可以直接跟随整流后的交流线电压。对于智能手机快速充电器，脉冲电流是可以接受的，特别是如果手机的电池充电算法稍作修改以接受脉冲电压波形。

为了达到新的脉冲输出电压要求，ACF 拓扑可以有效地将整流后的交流总线电压转换为脉冲直流输出电压。传统的 QR 反激式简单且成本低，但在高压条件下是“硬开关”。谐振 LLC 拓扑可在整个负载范围内提供 ZVS 操作，但取决于有限范围的直流总线电压。通过在整个线路和宽负载和电压范围内实现 ZVS 操作，ACF 拓扑提供了两全其美的优势。与传统的 QR 反激式相比，ACF 拓扑包括一个额外的高侧开关和电容器，用于在死区时间内将开关节点电压 (V SW ) 转换到相反的电源轨并实现 ZVS。使用 GaN 功率 IC 的兆赫 ACF 在 2016 年进行了学术演示5自 2018 年推出 TI 的 UCC2878x ACF PWM 控制器以来，可用于行业。GaN 可实现高频 ACF 操作，并显着减小变压器的尺寸；例如，从 50 kHz 的 22 毫米高 RM10 线轴变压器到 500 kHz 的 8 毫米薄 EI25 平面变压器，如图 1 所示。

图 1：高频如何驱动更小的无源元件，50-W 快速充电器示例：~100-kHz 传统骨架（22 毫米高）（左）和~500-kHz 平面变压器（8 毫米）（右）

通过增加频率和脉冲操作（消除大容量电容器）来减小尺寸，导致 Oppo 在 2020 年推出了基于 GaN 功率 IC 的超薄 50W“Cookie”快速充电器。这是将 GaN 与某些新颖的系统分区，以减少转换器的大小和配置文件，并最终创造一种全新的、独特的、开箱即用的用户体验。

高频 PFC，无电桥

用于中等功率（100 至 500 W）应用的传统 PFC 拓扑包括一个输入桥式整流器，然后是一个传统的升压转换器。当升压开关以给定的开关频率开启和关闭时，开关开启和关闭时间受到控制，使得交流线路输入电流的形状和相位与交流线路电压相同，并且直流总线输出电压保持在一个恒定的水平。在 90V交流输入和满载条件下，该电路可达到约 96% 的效率。升压转换器本身可以变得非常高效，但交流输入桥损耗非常高，导致严重的热极端和整体效率低下。

进入“无桥图腾柱”PFC 拓扑。

在带有标准 AC 整流器的传统 PFC 电路中，在任何时间点，输入桥的两个二极管始终导通，并产生超过 PFC 电路总损耗的 50%。在过去的几十年里，人们对许多无桥 PFC 电路进行了研究，试图消除输入桥式整流器并提高系统效率，但很少有人将其走出实验室并进入主流市场，这主要是由于更高的复杂性和成本。这些拓扑包括经典的无桥、半无桥、双向无桥和无桥图腾柱。这些拓扑中的每一种都有自己的优缺点，但它们都不是完美的解决方案。虽然已经为多千瓦数据中心 SMPS 实施了基于微控制器的设计，

图 2：300-W CrCM 图腾柱 PFC 原理图和效率数据

随着 2021 年新控制器的出现，高频 CrCM 无桥图腾柱由于低 EMI 以及简化的控制器电压和电流感应而成为一种流行的拓扑结构。开关速度最多可提高 10 倍，从固定频率 50-kHz CCM 到 CrCM 图腾柱操作的 200-500 kHz，而 GaN 的低输出电容 (C OSS ) 可提供凉爽、高效的结果。

高频 DC/DC：6 倍于 GaN 的功率

对于 100 至 3,000 W 功率范围内的固定输出电压转换器，下游 DC/DC 转换器选择通常是具有 ~400V直流输入的 LLC 谐振级。400-V 总线可以来自封闭式 AC/DC SMPS 内的上游 PFC 级，也可以是 HVDC 安装中的主要配电轨。

LLC 拓扑具有多项优势，包括 ZVS 操作、高效率和高功率密度，ZVS 操作使该转换器成为使用高速动力系统提高开关频率和减小磁性元件尺寸的理想平台。

在行业标准 (DOSA) 四分之一砖外形规格中，一流的基于硅的设计达到 150 W。额定功率最多可增加 6 倍至 1 kW。

图 3：400V 输入 DOSA 四分之一砖 DC/DC 转换器：一流的硅基、275 kHz、150 W（左）和基于 GaN 的 830 kHz 达到 1 kW（密度功率）（右）

高速氮化镓使高频应用成为可能

这些只是 GaN 功率 IC 彻底改变电力电子领域的众多机遇中的一小部分。随着工作频率的增加和磁性尺寸的减小，整个生态系统将继续发展，包括升级的磁性材料、新的平面变压器设计、更小的电容器技术、新的电路拓扑和改进的热材料。结果是更高的效率、更高的稳健性、新的电源适配器外形，并最终降低了成本。

审核编辑：汤梓红