借助高能效GaN轉(zhuǎn)換器，提高充電器和適配器設(shè)計(jì)的功率密度

　　英飛凌科技首席應(yīng)用工程師Zhong Fang Wang、英飛凌科技高級(jí)主任應(yīng)用工程師Matt Yang

　　如今，充電器和適配器應(yīng)用最常用的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫菧?zhǔn)諧振（QR）反激式拓?fù)洌驗(yàn)樗Y(jié)構(gòu)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(xiàn)高能效。然而，與工作頻率密切相關(guān)的開關(guān)損耗和變壓器漏感能量損耗，限制了QR反激式轉(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，為了在超薄充電器和適配器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高功率密度，軟開關(guān)和變壓器漏感能量回收變得不可或缺。這必然導(dǎo)致選用本身效率更高的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

　　本文闡述了如何將英飛凌的CoolGaN?集成功率級(jí)（IPS）技術(shù)應(yīng)用于有源鉗位反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹２扇∵@種方式可以更快速、更輕松地設(shè)計(jì)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(shè)備快速充電，或用一個(gè)適配器為多個(gè)設(shè)備充電。

能夠?qū)崿F(xiàn)更高功率密度的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/strong>

　　事實(shí)證明，得益于零電壓開關(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(zhuǎn)換器等半橋（HB）拓?fù)洌词乖诤芨唛_關(guān)頻率下也能實(shí)現(xiàn)高能效。

有源鉗位反激式（ACF）拓?fù)?/strong>

　　圖1所示為CoolGaN?IPS用于有源鉗位反激式（ACF）轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用示例。在ACF拓?fù)渲?，?dāng)主開關(guān)關(guān)斷而鉗位開關(guān)接通時(shí)，可經(jīng)由鉗位開關(guān)來(lái)回收存儲(chǔ)在變壓器漏感（Llk）中的能量。Cclamp和Llk通過(guò)鉗位開關(guān)和變壓器一起諧振，從而將能量傳送到負(fù)載。相比于在無(wú)源鉗位反激式拓?fù)渲?，存?chǔ)于傳統(tǒng)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(tǒng)能效。精心設(shè)計(jì)的ACF拓?fù)淇稍谲涢_關(guān)ZVS條件下運(yùn)行，因此，它的工作開關(guān)頻率比在硬開關(guān)條件下運(yùn)行的準(zhǔn)諧振（QR）反激式拓?fù)涓叩枚?。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(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖

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

圖2：ACF轉(zhuǎn)換器運(yùn)行

　　當(dāng)?shù)投斯β书_關(guān)接通時(shí)，ACF轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在一次側(cè)電感器和漏感器（Llk）中。此后，當(dāng)?shù)投斯β书_關(guān)關(guān)斷時(shí)，這些能量則被傳送至輸出端。在低端開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)期間，當(dāng)高端開關(guān)接通時(shí)，存儲(chǔ)在漏感器中的能量即被傳送至輸出端。此外，開關(guān)ZVS操作可進(jìn)一步提高能效。這種操作可確保ACF轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高效性能。

混合反激式（HFB）拓?fù)?/strong>

　　圖3所示為CoolGaN?IPS用于混合反激式（HFB）轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞牡湫蛻?yīng)用示例。

圖3：HFB轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖

　　混合反激式轉(zhuǎn)換器的組成部件，包括：高端開關(guān)和低端開關(guān)、變壓器、諧振槽（Llk和Cr）以及整流器輸出級(jí)和電容器。這種拓?fù)湟嗍芤嬗诠β书_關(guān)的軟開關(guān)操作，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度和高能效。采用與LLC轉(zhuǎn)換器相同的技術(shù)，在這種拓?fù)渲?，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(bǔ)開關(guān)模式的高級(jí)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(xiàn)通用USB-C PD運(yùn)行提供了必要條件。

　　HFB可以在一次側(cè)實(shí)現(xiàn)完全ZVS操作，在二次側(cè)實(shí)現(xiàn)完全ZCS操作。隨后，再回收漏感能量，以實(shí)現(xiàn)高能效?；旌戏醇な酵?fù)淇赏ㄟ^(guò)可變占空比，輕松實(shí)現(xiàn)寬輸出范圍。這克服了LLC拓?fù)湓趯捿敵龇秶鷳?yīng)用中的局限性。有關(guān)混合反激式轉(zhuǎn)換器的更多信息，請(qǐng)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(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開關(guān)接通時(shí)，混合反激式轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在一次側(cè)電感器中。當(dāng)?shù)投碎_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開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)控制，對(duì)于兩個(gè)開關(guān)，HFB均在ZVS條件下運(yùn)行，這確保了很高系統(tǒng)能效，而無(wú)需額外的組件。得益于ZVS操作實(shí)現(xiàn)的高能效以及ZCS操作在二次側(cè)帶來(lái)的額外的能效提升，混合反激式轉(zhuǎn)換器為諸如USB-PD快速充電器等超高功率密度轉(zhuǎn)換器，提供了一個(gè)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

圖4：HFB轉(zhuǎn)換器運(yùn)行

LLC轉(zhuǎn)換器

　　圖5所示為CoolGaN?IPS用于半橋LLC拓?fù)涞牡湫蛻?yīng)用示例。LLC轉(zhuǎn)換器是諧振轉(zhuǎn)換器系列的一員，這意味著電壓調(diào)節(jié)并非采用常規(guī)脈寬調(diào)制（PWM）方式。LLC轉(zhuǎn)換器以50%占空比和固定180°相移運(yùn)行，通過(guò)頻率調(diào)制，對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。半橋LLC轉(zhuǎn)換器的組成部件，包括：高端開關(guān)和低端開關(guān)、變壓器、諧振槽（Lr和Cr）以及整流器輸出級(jí)和電容器。

圖5：半橋LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開關(guān)接通時(shí)，半橋LLC轉(zhuǎn)換器在供電（PD）模式下運(yùn)行。在這個(gè)開關(guān)循環(huán)中，諧振回路受到正電壓激勵(lì)，因此電流正向諧振。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)接通時(shí)，諧振回路則受到負(fù)電壓激勵(lì)，因此電流負(fù)向諧振。在PD運(yùn)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(cè)，從而實(shí)現(xiàn)給負(fù)載供電。

圖6：半橋LLC轉(zhuǎn)換器運(yùn)行

　　除此之外，所有一次側(cè)MOSFET均隨ZVS諧振接通，從而完全回收存儲(chǔ)在MOSFET寄生輸出電容中的能量。與此同時(shí)，所有二次側(cè)開關(guān)均隨ZVS諧振關(guān)斷，從而最大限度地降低通常與硬開關(guān)相關(guān)的開關(guān)損耗。LLC轉(zhuǎn)換器中的所有開關(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(shù)百kHz至MHz不等的較高工作頻率下。

　　為了實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)的零電壓開關(guān)（ZVS）工作，這三種拓?fù)涠祭米儔浩髦械难h(huán)電流來(lái)進(jìn)行開關(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(zhǎng)。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)顯著增加死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間會(huì)降低有效占空比，并導(dǎo)致電路中的RMS電流更大，從而增加導(dǎo)通損耗。因此，對(duì)于極高開關(guān)頻率操作，最大限度地減少死區(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)損耗和零反向恢復(fù)，GaN HEMT是適用于ACF、HFB和半橋LLC轉(zhuǎn)換器的完美之選。

CoolGaN?IPS和65 W ACF轉(zhuǎn)換器評(píng)估板

　　為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)尺寸，英飛凌近期推出了CoolGaN?集成功率級(jí)（IPS），它采用散熱增強(qiáng)型小型QFN封裝，將600 V增強(qiáng)模式CoolGaN?開關(guān)與專用柵極驅(qū)動(dòng)器集于一體。

　　為演示CoolGaN?IPS的性能，專門開發(fā)了基于CoolGaN?IPS IGI60F1414A1L的65 W有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器（圖7）。[2]

圖7：搭載CoolGaN?IPS半橋的65 W ACF評(píng)估板正面視圖

　　測(cè)得的能效曲線（圖8）表明，其四點(diǎn)平均效率和10%負(fù)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(fù)載條件下的ACF評(píng)估板能效曲線

總結(jié)

　　如今的高功率密度充電器和適配器應(yīng)用常常使用GaN HEMT，因?yàn)橄啾扔诠鐼OSFET，它們的優(yōu)值系數(shù)（FOM）大為改善，可以實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)。CoolGaN?IPS技術(shù)在緊湊型封裝中集成了柵極驅(qū)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(zhuǎn)換器，因而有助于進(jìn)一步提高充電器和適配器設(shè)計(jì)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(qǐng)?jiān)L問我們的相關(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(píng)估板。

參考資料：

　　[1]英飛凌科技應(yīng)用筆記《基于XDP?數(shù)字功率XDPS2201的混合反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)》，2021年3月

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

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