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

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^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，請參閱[1]。

圖4顯示的典型工作波形，簡要說明了混合反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開關(guān)接通時，混合反激式轉(zhuǎn)換器將能量存儲在一次側(cè)電感器中。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)接通時，則將這些能量傳送至輸出端。通過在兩個MOSFET開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩〞r控制，對于兩個開關(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，提供了一個具有成本競爭力的解決方案。

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，通過頻率調(diào)制，對電壓進(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，簡要說明了半橋LLC轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開關(guān)接通時，半橋LLC轉(zhuǎn)換器在供電(PD)模式下運(yùn)行。在這個開關(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(dāng)?shù)投碎_關(guān)接通時，諧振回路則受到負(fù)電壓激勵，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，從而完全回收存儲在MOSFET寄生輸出電容中的能量。與此同時，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、放電時間越長。循環(huán)電流會加劇變壓器損耗(鐵芯損耗和繞組損耗)，而放電時間則會顯著增加死區(qū)時間。死區(qū)時間會降低有效占空比，并導(dǎo)致電路中的RMS電流更大，從而增加導(dǎo)通損耗。因此，對于極高開關(guān)頻率操作，最大限度地減少死區(qū)時間至關(guān)重要。GaN HEMT擁有優(yōu)異的FOM(RDS(on)×QOSS)，有助于減少死區(qū)時間和降低電路中的循環(huán)電流。歸功于這個優(yōu)點(diǎn)，以及低驅(qū)動損耗和零反向恢復(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(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評估板正面視圖

測得的能效曲線(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》，2021年3月，

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

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