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
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202203/432587.htm
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，因為它結構簡單、控制簡便、物料（BOM）成本較低，并可通過波谷切換工作實現高能效。然而，與工作頻率密切相關的開關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關頻率，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，有助于提高開關頻率和功率密度。然而，為了在超薄充電器和適配器設計中實現更高功率密度，軟開關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、更輕便的產品，或者雖尺寸相同但功率更高的產品，用于為設備快速充電，或用一個適配器為多個設備充電。
能夠實現更高功率密度的轉換器拓撲
事實證明，得益于零電壓開關（ZVS）和無緩沖損耗，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，即使在很高開關頻率下也能實現高能效。
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ACF拓撲中，當主開關關斷而鉗位開關接通時，可經由鉗位開關來回收存儲在變壓器漏感（Llk）中的能量。Cclamp和Llk通過鉗位開關和變壓器一起諧振，從而將能量傳送到負載。相比于在無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拓撲可在軟開關ZVS條件下運行，因此，它的工作開關頻率比在硬開關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：高端開關和低端開關、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，簡要說明了ACF轉換器的工作原理。
圖2：ACF轉換器運行
當低端功率開關接通時，ACF轉換器將能量存儲在一次側電感器和漏感器（Llk）中。此后，當低端功率開關關斷時，這些能量則被傳送至輸出端。在低端開關處于關斷狀態期間，當高端開關接通時，存儲在漏感器中的能量即被傳送至輸出端。此外，開關ZVS操作可進一步提高能效。這種操作可確保ACF轉換器實現高效性能。
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：高端開關和低端開關、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關的軟開關操作，能夠實現高功率密度和高能效。采用與LLC轉換器相同的技術，在這種拓撲中，變壓器漏感和磁化電感可與電容器發生諧振。此外，基于非互補開關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，這為實現通用USB-C PD運行提供了必要條件。
HFB可以在一次側實現完全ZVS操作，在二次側實現完全ZCS操作。隨后，再回收漏感能量，以實現高能效。混合反激式拓撲可通過可變占空比，輕松實現寬輸出范圍。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，簡要說明了混合反激式轉換器的工作原理。當高端開關接通時，混合反激式轉換器將能量存儲在一次側電感器中。當低端開關接通時，則將這些能量傳送至輸出端。通過在兩個MOSFET開關轉換過程中進行適當的定時控制，對于兩個開關，HFB均在ZVS條件下運行，這確保了很高系統能效，而無需額外的組件。得益于ZVS操作實現的高能效以及ZCS操作在二次側帶來的額外的能效提升，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，通過頻率調制，對電壓進行調節。半橋LLC轉換器的組成部件，包括：高端開關和低端開關、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，簡要說明了半橋LLC轉換器的工作原理。當高端開關接通時，半橋LLC轉換器在供電（PD）模式下運行。在這個開關循環中，諧振回路受到正電壓激勵，因此電流正向諧振。當低端開關接通時，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由變壓器和整流器傳遞到二次側，從而實現給負載供電。
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，所有二次側開關均隨ZVS諧振關斷，從而最大限度地降低通常與硬開關相關的開關損耗。LLC轉換器中的所有開關器件均諧振操作，這最大限度地降低了動態損耗，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。
為了實現高壓開關的零電壓開關（ZVS）工作，這三種拓撲都利用變壓器中的循環電流來進行開關QOSS放電。顯然，QOSS越大，所需循環電流越大、放電時間越長。循環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時間。死區時間會降低有效占空比，并導致電路中的RMS電流更大，從而增加導通損耗。因此，對于極高開關頻率操作，最大限度地減少死區時間至關重要。GaN HEMT擁有優異的FOM（RDS（on）×QOSS），有助于減少死區時間和降低電路中的循環電流。歸功于這個優點，以及低驅動損耗和零反向恢復，GaN HEMT是適用于ACF、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
為進一步優化系統尺寸，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?開關與專用柵極驅動器集于一體。
為演示CoolGaN?IPS的性能，專門開發了基于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（圖8）表明，其四點平均效率和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
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，它們的優值系數（FOM）大為改善，可以實現高頻開關。CoolGaN?IPS技術在緊湊型封裝中集成了柵極驅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轉換器，因而有助于進一步提高充電器和適配器設計的功率密度。
如欲深入了解關于英飛凌的CoolGaN?IPS產品組合及全面的解決方案，敬請訪問我們的相關網站。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驅動快速參考指南》英飛凌科技應用筆記，2021年12月
