E-mode GaN助力4.5kW对称半桥LLC谐振变换器突破99%最高效率

 

1. 背景
 

    随着AI大数据模型的兴起，对高效率、高功率密度的电源需求逐步加强。世界能源短缺的加剧导致了其他领域对电源的高效率需求，各产业迫切希望技术进步推动能源供应性能提升。

    与此相对应的一个变化是关键性的半导体和器件已经出现了明显的国产化率迅速提升的趋势。宽禁带半导体材料（如氮化镓、碳化硅）的应用显著降低了开关损耗，同时数字控制技术的引入实现了精准调压与动态响应，进一步提高了电源的性能和可靠性。

    常州云镓半导体公司作为新兴国产宽禁带半导体公司也推出了一系列E-mode GaN功率器件，见下图所示：

图1、常州云镓半导体公司的650V/700V E-mode GaN产品系列（部分）

2、4.5kW对称半桥LLC谐振变换器评估板项目

    应客户的需求，云镓半导体结合公司的产品安排了本次评估板项目的开发。为了在提升效率的基础上，尽量减少项目难度，本次项目采用了对称半桥LLC谐振变换器拓扑，如下图所示：

 

图2、对称半桥LLC谐振变换器拓扑及同步整流设计方案

    

    对于LLC谐振变换器来说，其零电压开关（ZVS）技术，能大幅降低开关损耗，实现高效电能转换。通常来说可以实现94%以上的效率，部分产品甚至突破了98%的效率大关。

    通常来说，提升LLC效率的主要措施是：

选择合中的工作频率-影响功率半导体的开关损耗和磁性器件的铁损

设计合格的谐振参数-影响谐振电感、谐振电容和励磁电感等谐振参数

采取合理的控制策略-影响电源工作状态，影响工作效率

引入合适的功率器件-影响开关损耗、影响导通损耗

    那么，可否对目前的功率半导体定一个小目标，SJ Mosfet、IGBT、SiC Mosfet和GaN哪一种能够帮助LLC实现99%以上的效率呢？

    功率半导体的损耗一般分为开关损耗和导通损耗两部分，见下图所示：

图3、功率半导体的开关过程及其主要损耗

    LLC工作在ZVS（零电压开通）模式，其开通损耗(Turn-on Loss)可以忽略不计，如果能够尽量减少关断损耗(Turn-off Loss)，就可以有效提升整机的效率。作为GaN器件设计公司，云镓半导体的主要策略是应用E mode GaN，利用GaN器件开关损耗低的特点，减小LLC的开关损耗，以尽可能提升整机效率。

    云镓半导体公司的4.5kW LLC评估板如下图所示：

图4、4.5kW LLC评估板及其主要组成部分

    云镓半导体公司采用的E-mode GaN的主要性能参数见下图：

图5、CG65030TBD的封装(TOLT)及主要性能参数

    E-mode GaN作为常关型功率半导体，高频性能优越，开关损耗低，无反向恢复电荷，无寄生续流二极管。可以最大限度减少损耗并降低EMI骚扰。

3. 测试结果及效率曲线

 

测试平台如下图所示：

图6、测试平台	图7、功率分析仪(HIOKI日置)

 

部分测试波形和数据如下表所示：

输入：400V；开关频率：55~100kHz；输出：53.5V/4.5kW     环温：25℃。无外部其他辅助散热，无外壳，满载工作半小时后开始测试
编号	名称	测试波形
1	测试数据
	实测效率整体超过96.5%。大部分区域均超过98%。
2	效率曲线
	实测效率曲线和计算效率曲线基本重合。
3	温度测试
	最高温度不到 73℃

    稍候，云镓半导体会在官网分享此评估板的Manual(设计说明文档)，最大可能服务好各客户。