借助高能效GaN轉換器，提高充電器和適配器設計的功率密度

　　英飛凌科技首席應用工程師Zhong Fang Wang、英飛凌科技高級主任應用工程師Matt Yang

　　如今，充電器和適配器應用最常用的功率轉換器拓撲是準諧振（QR）反激式拓撲，因為它結構簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、物料（BOM）成本較低，并可通過(guò)波谷切換工作實(shí)現高能效。然而，與工作頻率密切相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗和變壓器漏感能量損耗，限制了QR反激式轉換器的最大開(kāi)關(guān)頻率，從而限制了功率密度。

　　在QR反激式轉換器中采用GaN HEMT和平面變壓器，有助于提高開(kāi)關(guān)頻率和功率密度。然而，為了在超薄充電器和適配器設計中實(shí)現更高功率密度，軟開(kāi)關(guān)和變壓器漏感能量回收變得不可或缺。這必然導致選用本身效率更高的轉換器拓撲。

　　本文闡述了如何將英飛凌的CoolGaN?集成功率級（IPS）技術(shù)應用于有源鉗位反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉換器拓撲。采取這種方式可以更快速、更輕松地設計出充電器和適配器解決方案，以打造更小巧、更輕便的產(chǎn)品，或者雖尺寸相同但功率更高的產(chǎn)品，用于為設備快速充電，或用一個(gè)適配器為多個(gè)設備充電。

能夠實(shí)現更高功率密度的轉換器拓撲

　　事實(shí)證明，得益于零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和無(wú)緩沖損耗，諸如有源鉗位反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉換器等半橋（HB）拓撲，即使在很高開(kāi)關(guān)頻率下也能實(shí)現高能效。

有源鉗位反激式（ACF）拓撲

　　圖1所示為CoolGaN?IPS用于有源鉗位反激式（ACF）轉換器的典型應用示例。在A(yíng)CF拓撲中，當主開(kāi)關(guān)關(guān)斷而鉗位開(kāi)關(guān)接通時(shí)，可經(jīng)由鉗位開(kāi)關(guān)來(lái)回收存儲在變壓器漏感（Llk）中的能量。Cclamp和Llk通過(guò)鉗位開(kāi)關(guān)和變壓器一起諧振，從而將能量傳送到負載。相比于在無(wú)源鉗位反激式拓撲中，存儲于傳統RCD鉗位電路Llk中的能量漸漸衰減，這樣的能量回收提高了系統能效。精心設計的ACF拓撲可在軟開(kāi)關(guān)ZVS條件下運行，因此，它的工作開(kāi)關(guān)頻率比在硬開(kāi)關(guān)條件下運行的準諧振（QR）反激式拓撲高得多。這有助于縮小磁性元件的尺寸，包括變壓器和EMI濾波器。

圖1：ACF轉換器應用電路圖

　　ACF轉換器的組成部件，包括：高端開(kāi)關(guān)和低端開(kāi)關(guān)、變壓器、鉗位電容器Cclamp以及整流器輸出級和電容器。圖2顯示的典型工作波形，簡(jiǎn)要說(shuō)明了ACF轉換器的工作原理。

圖2：ACF轉換器運行

　　當低端功率開(kāi)關(guān)接通時(shí)，ACF轉換器將能量存儲在一次側電感器和漏感器（Llk）中。此后，當低端功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，這些能量則被傳送至輸出端。在低端開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)期間，當高端開(kāi)關(guān)接通時(shí)，存儲在漏感器中的能量即被傳送至輸出端。此外，開(kāi)關(guān)ZVS操作可進(jìn)一步提高能效。這種操作可確保ACF轉換器實(shí)現高效性能。

混合反激式（HFB）拓撲

　　圖3所示為CoolGaN?IPS用于混合反激式（HFB）轉換器拓撲的典型應用示例。

圖3：HFB轉換器應用電路圖

　　混合反激式轉換器的組成部件，包括：高端開(kāi)關(guān)和低端開(kāi)關(guān)、變壓器、諧振槽（Llk和Cr）以及整流器輸出級和電容器。這種拓撲亦受益于功率開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)操作，能夠實(shí)現高功率密度和高能效。采用與LLC轉換器相同的技術(shù)，在這種拓撲中，變壓器漏感和磁化電感可與電容器發(fā)生諧振。此外，基于非互補開(kāi)關(guān)模式的高級控制方案可支持范圍廣泛的AC輸入電壓和DC輸出電壓，這為實(shí)現通用USB-C PD運行提供了必要條件。

　　HFB可以在一次側實(shí)現完全ZVS操作，在二次側實(shí)現完全ZCS操作。隨后，再回收漏感能量，以實(shí)現高能效?；旌戏醇な酵負淇赏ㄟ^(guò)可變占空比，輕松實(shí)現寬輸出范圍。這克服了LLC拓撲在寬輸出范圍應用中的局限性。有關(guān)混合反激式轉換器的更多信息，請參閱[1]。

　　圖4顯示的典型工作波形，簡(jiǎn)要說(shuō)明了混合反激式轉換器的工作原理。當高端開(kāi)關(guān)接通時(shí)，混合反激式轉換器將能量存儲在一次側電感器中。當低端開(kāi)關(guān)接通時(shí)，則將這些能量傳送至輸出端。通過(guò)在兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中進(jìn)行適當的定時(shí)控制，對于兩個(gè)開(kāi)關(guān)，HFB均在ZVS條件下運行，這確保了很高系統能效，而無(wú)需額外的組件。得益于ZVS操作實(shí)現的高能效以及ZCS操作在二次側帶來(lái)的額外的能效提升，混合反激式轉換器為諸如USB-PD快速充電器等超高功率密度轉換器，提供了一個(gè)具有成本競爭力的解決方案。

圖4：HFB轉換器運行

LLC轉換器

　　圖5所示為CoolGaN?IPS用于半橋LLC拓撲的典型應用示例。LLC轉換器是諧振轉換器系列的一員，這意味著(zhù)電壓調節并非采用常規脈寬調制（PWM）方式。LLC轉換器以50%占空比和固定180°相移運行，通過(guò)頻率調制，對電壓進(jìn)行調節。半橋LLC轉換器的組成部件，包括：高端開(kāi)關(guān)和低端開(kāi)關(guān)、變壓器、諧振槽（Lr和Cr）以及整流器輸出級和電容器。

圖5：半橋LLC轉換器應用電路圖

　　圖6顯示的典型工作波形，簡(jiǎn)要說(shuō)明了半橋LLC轉換器的工作原理。當高端開(kāi)關(guān)接通時(shí)，半橋LLC轉換器在供電（PD）模式下運行。在這個(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)中，諧振回路受到正電壓激勵，因此電流正向諧振。當低端開(kāi)關(guān)接通時(shí)，諧振回路則受到負電壓激勵，因此電流負向諧振。在PD運行模式下，諧振電流和磁化電流之間的電流差經(jīng)由變壓器和整流器傳遞到二次側，從而實(shí)現給負載供電。

圖6：半橋LLC轉換器運行

　　除此之外，所有一次側MOSFET均隨ZVS諧振接通，從而完全回收存儲在MOSFET寄生輸出電容中的能量。與此同時(shí)，所有二次側開(kāi)關(guān)均隨ZVS諧振關(guān)斷，從而最大限度地降低通常與硬開(kāi)關(guān)相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗。LLC轉換器中的所有開(kāi)關(guān)器件均諧振操作，這最大限度地降低了動(dòng)態(tài)損耗，提高了總體能效，特別是在從數百kHz至MHz不等的較高工作頻率下。

　　為了實(shí)現高壓開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）工作，這三種拓撲都利用變壓器中的循環(huán)電流來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)QOSS放電。顯然，QOSS越大，所需循環(huán)電流越大、放電時(shí)間越長(cháng)。循環(huán)電流會(huì )加劇變壓器損耗（鐵芯損耗和繞組損耗），而放電時(shí)間則會(huì )顯著(zhù)增加死區時(shí)間。死區時(shí)間會(huì )降低有效占空比，并導致電路中的RMS電流更大，從而增加導通損耗。因此，對于極高開(kāi)關(guān)頻率操作，最大限度地減少死區時(shí)間至關(guān)重要。GaN HEMT擁有優(yōu)異的FOM（RDS(on)×QOSS），有助于減少死區時(shí)間和降低電路中的循環(huán)電流。歸功于這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，以及低驅動(dòng)損耗和零反向恢復，GaN HEMT是適用于A(yíng)CF、HFB和半橋LLC轉換器的完美之選。

CoolGaN?IPS和65 W ACF轉換器評估板

　　為進(jìn)一步優(yōu)化系統尺寸，英飛凌近期推出了CoolGaN?集成功率級（IPS），它采用散熱增強型小型QFN封裝，將600 V增強模式CoolGaN?開(kāi)關(guān)與專(zhuān)用柵極驅動(dòng)器集于一體。

　　為演示CoolGaN?IPS的性能，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了基于CoolGaN?IPS IGI60F1414A1L的65 W有源鉗位反激式轉換器（圖7）。[2]

圖7：搭載CoolGaN?IPS半橋的65 W ACF評估板正面視圖

　　測得的能效曲線(xiàn)（圖8）表明，其四點(diǎn)平均效率和10%負載條件效率均符合CoC Tier2和DoE Level VI效率要求。

圖8：不同輸入電壓和負載條件下的ACF評估板能效曲線(xiàn)

總結

　　如今的高功率密度充電器和適配器應用常常使用GaN HEMT，因為相比于硅MOSFET，它們的優(yōu)值系數（FOM）大為改善，可以實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)。CoolGaN?IPS技術(shù)在緊湊型封裝中集成了柵極驅動(dòng)器并可支持高工作頻率，特別適用于有源鉗位反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉換器，因而有助于進(jìn)一步提高充電器和適配器設計的功率密度。

　　如欲深入了解關(guān)于英飛凌的CoolGaN?IPS產(chǎn)品組合及全面的解決方案，敬請訪(fǎng)問(wèn)我們的相關(guān)網(wǎng)站。還可以了解搭載IGI60F1414A1L（EVAL HB GANIPS G1）的高頻CoolGaNTM IPS半橋600 V評估板。

參考資料：

　　[1]英飛凌科技應用筆記《基于XDP?數字功率XDPS2201的混合反激式轉換器設計》，2021年3月

　　[2]Vartanian,R.《搭載IGI60F1414A1L的CoolGaN?IPS半橋評估板》英飛凌科技應用筆記，2021年4月

　　[3]Bainan,S.,《CoolGaN?GIT HEMT 600 V驅動(dòng)快速參考指南》英飛凌科技應用筆記，2021年12月