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借助高能效GaN转换器,提高充电器和适配器设计的功率密度

  英飞凌科技首席应用工程师Zhong Fang Wang、英飞凌科技高级主任应用工程师Matt Yang

  如今,充电器和适配器应用最常用的功率转换器拓扑是准谐振(QR)反激式拓扑,因为它结构简单、控制简便、物料(BOM)成本较低,并可通过波谷切换工作实现高能效。然而,与工作频率密切相关的开关损耗和变压器漏感能量损耗,限制了QR反激式转换器的最大开关频率,从而限制了功率密度。

  在QR反激式转换器中采用GaN HEMT和平面变压器,有助于提高开关频率和功率密度。然而,为了在超薄充电器和适配器设计中实现更高功率密度,软开关和变压器漏感能量回收变得不可或缺。这必然导致选用本身效率更高的转换器拓扑。

  本文阐述了如何将英飞凌的CoolGaN™集成功率级(IPS)技术应用于有源钳位反激式(ACF)、混合反激式(HFB)和LLC转换器拓扑。采取这种方式可以更快速、更轻松地设计出充电器和适配器解决方案,以打造更小巧、更轻便的产品,或者虽尺寸相同但功率更高的产品,用于为设备快速充电,或用一个适配器为多个设备充电。

  能够实现更高功率密度的转换器拓扑

  事实证明,得益于零电压开关(ZVS)和无缓冲损耗,诸如有源钳位反激式(ACF)、混合反激式(HFB)和LLC转换器等半桥(HB)拓扑,即使在很高开关频率下也能实现高能效。

  有源钳位反激式(ACF)拓扑

  图1所示为CoolGaN™ IPS用于有源钳位反激式(ACF)转换器的典型应用示例。在ACF拓扑中,当主开关关断而钳位开关接通时,可经由钳位开关来回收存储在变压器漏感(Llk)中的能量。Cclamp和Llk通过钳位开关和变压器一起谐振,从而将能量传送到负载。相比于在无源钳位反激式拓扑中,存储于传统RCD钳位电路Llk中的能量渐渐衰减,这样的能量回收提高了系统能效。精心设计的ACF拓扑可在软开关ZVS条件下运行,因此,它的工作开关频率比在硬开关条件下运行的准谐振(QR)反激式拓扑高得多。这有助于缩小磁性元件的尺寸,包括变压器和EMI滤波器

  借助高能效GaN转换器,提高充电器和适配器设计的功率密度

  图1:ACF转换器应用电路

  ACF转换器的组成部件,包括:高端开关和低端开关、变压器、钳位电容器Cclamp以及整流器输出级和电容器。图2显示的典型工作波形,简要说明了ACF转换器的工作原理。

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  图2:ACF转换器运行

  当低端功率开关接通时,ACF转换器将能量存储在一次侧电感器和漏感器(Llk)中。此后,当低端功率开关关断时,这些能量则被传送至输出端。在低端开关处于关断状态期间,当高端开关接通时,存储在漏感器中的能量即被传送至输出端。此外,开关ZVS操作可进一步提高能效。这种操作可确保ACF转换器实现高效性能。

  混合反激式(HFB)拓扑

  图3所示为CoolGaN™ IPS用于混合反激式(HFB)转换器拓扑的典型应用示例。

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  图3:HFB转换器应用电路图

  混合反激式转换器的组成部件,包括:高端开关和低端开关、变压器、谐振槽(Llk和Cr)以及整流器输出级和电容器。这种拓扑亦受益于功率开关的软开关操作,能够实现高功率密度和高能效。采用与LLC转换器相同的技术,在这种拓扑中,变压器漏感和磁化电感可与电容器发生谐振。此外,基于非互补开关模式的高级控制方案可支持范围广泛的AC输入电压和DC输出电压,这为实现通用USB-C PD运行提供了必要条件。

  HFB可以在一次侧实现完全ZVS操作,在二次侧实现完全ZCS操作。随后,再回收漏感能量,以实现高能效。混合反激式拓扑可通过可变占空比,轻松实现宽输出范围。这克服了LLC拓扑在宽输出范围应用中的局限性。有关混合反激式转换器的更多信息,请参阅[1]。

  图4显示的典型工作波形,简要说明了混合反激式转换器的工作原理。当高端开关接通时,混合反激式转换器将能量存储在一次侧电感器中。当低端开关接通时,则将这些能量传送至输出端。通过在两个MOSFET开关转换过程中进行适当的定时控制,对于两个开关,HFB均在ZVS条件下运行,这确保了很高系统能效,而无需额外的组件。得益于ZVS操作实现的高能效以及ZCS操作在二次侧带来的额外的能效提升,混合反激式转换器为诸如USB-PD快速充电器等超高功率密度转换器,提供了一个具有成本竞争力的解决方案。

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  图4:HFB转换器运行

  LLC转换器

  图5所示为CoolGaN™ IPS用于半桥LLC拓扑的典型应用示例。LLC转换器是谐振转换器系列的一员,这意味着电压调节并非采用常规脉宽调制(PWM)方式。LLC转换器以50%占空比和固定180°相移运行,通过频率调制,对电压进行调节。半桥LLC转换器的组成部件,包括:高端开关和低端开关、变压器、谐振槽(Lr和Cr)以及整流器输出级和电容器。

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  图5:半桥LLC转换器应用电路图

  图6显示的典型工作波形,简要说明了半桥LLC转换器的工作原理。当高端开关接通时,半桥LLC转换器在供电(PD)模式下运行。在这个开关循环中,谐振回路受到正电压激励,因此电流正向谐振。当低端开关接通时,谐振回路则受到负电压激励,因此电流负向谐振。在PD运行模式下,谐振电流和磁化电流之间的电流差经由变压器和整流器传递到二次侧,从而实现给负载供电。

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  图6:半桥LLC转换器运行

  除此之外,所有一次侧MOSFET均随ZVS谐振接通,从而完全回收存储在MOSFET寄生输出电容中的能量。与此同时,所有二次侧开关均随ZVS谐振关断,从而最大限度地降低通常与硬开关相关的开关损耗。LLC转换器中的所有开关器件均谐振操作,这最大限度地降低了动态损耗,提高了总体能效,特别是在从数百kHz至MHz不等的较高工作频率下。

  为了实现高压开关的零电压开关(ZVS)工作,这三种拓扑都利用变压器中的循环电流来进行开关QOSS放电。显然,QOSS越大,所需循环电流越大、放电时间越长。循环电流会加剧变压器损耗(铁芯损耗和绕组损耗),而放电时间则会显著增加死区时间。死区时间会降低有效占空比,并导致电路中的RMS电流更大,从而增加导通损耗。因此,对于极高开关频率操作,最大限度地减少死区时间至关重要。GaN HEMT拥有优异的FOM(RDS(on)×QOSS),有助于减少死区时间和降低电路中的循环电流。归功于这个优点,以及低驱动损耗和零反向恢复,GaN HEMT是适用于ACF、HFB和半桥LLC转换器的完美之选。

  CoolGaN™ IPS和65 W ACF转换器评估板

  为进一步优化系统尺寸,英飞凌近期推出了CoolGaN™集成功率级(IPS),它采用散热增强型小型QFN封装,将600 V增强模式CoolGaN™开关与专用栅极驱动器集于一体。

  为演示CoolGaN™ IPS的性能,专门开发了基于CoolGaN™ IPS IGI60F1414A1L的65 W有源钳位反激式转换器(图7)。[2]

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  图7:搭载CoolGaN™ IPS半桥的65 W ACF评估板正面视图

  测得的能效曲线(图8)表明,其四点平均效率和10%负载条件效率均符合CoC TIer2和DoE Level VI效率要求。

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  图8:不同输入电压和负载条件下的ACF评估板能效曲线

  总结

  如今的高功率密度充电器和适配器应用常常使用GaN HEMT,因为相比于硅MOSFET,它们的优值系数(FOM)大为改善,可以实现高频开关。CoolGaN™ IPS技术在紧凑型封装中集成了栅极驱动器并可支持高工作频率,特别适用于有源钳位反激式(ACF)、混合反激式(HFB)和LLC转换器,因而有助于进一步提高充电器和适配器设计的功率密度。

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