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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

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如今，充電器和適配器應用最常用的功率轉(zhuǎn)換器拓撲是準諧振（QR）由于結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，材料控制簡單，反向拓撲（BOM）成本低，可通過谷物切換實現(xiàn)高能效。然而，與工作頻率密切相關(guān)的開關(guān)損耗和變壓器泄漏能量損耗限制了QR反激轉(zhuǎn)換器的最大開關(guān)頻率限制了功率密度。

在QR采用反激轉(zhuǎn)換器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的設(shè)計中實現(xiàn)更高的功率密度，軟開關(guān)和變壓器泄漏能量的回收是必不可少的。這必然會導致更高效的轉(zhuǎn)換器拓撲。

本文闡述了如何使英飛凌飛行CoolGaN集成功率級（IPS）有源鉗位反激技術(shù)的應用（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉(zhuǎn)換器拓撲。這樣，充電器和適配器解決方案就可以更快更容易地設(shè)計出來，創(chuàng)造出更小更輕的產(chǎn)品，或者尺寸相同但功率更高的產(chǎn)品，用來快速給設(shè)備充電，或者用一個適配器給多個設(shè)備充電。

轉(zhuǎn)換器拓撲可以實現(xiàn)更高的功率密度

事實證明，得益于零電壓開關(guān)（ZVS）無緩沖損耗，如有源鉗反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC半橋等轉(zhuǎn)換器（HB）即使在高開關(guān)頻率下，拓撲也能達到高能效。

有源鉗位反激（ACF）拓撲

圖1所示為CoolGaNIPS用于有源鉗位反激（ACF）典型的轉(zhuǎn)換器應用示例。在ACF拓撲中，當主開關(guān)斷開，鉗位開關(guān)打開時，變壓器漏感可通過鉗位開關(guān)回收存儲（Llk）中的能量。Cclamp和Llk能量通過鉗位開關(guān)與變壓器共振傳遞到負載。與傳統(tǒng)存儲在無源鉗位反激拓撲中的無源鉗位反激拓撲相比，RCD鉗位電路Llk能量量逐漸衰減，提高了系統(tǒng)的能效。精心設(shè)計的ACF拓撲可在軟開關(guān)中使用ZVS因此，其工作開關(guān)的頻率比在硬開關(guān)條件下運行的準諧振要高（QR）反向拓撲要高得多。這有助于減小磁性元件的尺寸，包括變壓器和EMI濾波器。

圖1：ACF轉(zhuǎn)換器應用電路圖

ACF轉(zhuǎn)換器的組成部分包括：高端開關(guān)和低端開關(guān)、變壓器、鉗位電容器Cclamp以及整流器輸出級和電容器。圖2中顯示的典型工作波形簡要說明ACF轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖2：ACF轉(zhuǎn)換器運行

當?shù)投斯β书_關(guān)打開時，ACF轉(zhuǎn)換器將能量儲存在一次側(cè)電感器和漏感器中（Llk）中間。此后，當?shù)投斯β书_關(guān)關(guān)閉時，這些能量被傳輸?shù)捷敵龆恕．數(shù)投碎_關(guān)關(guān)閉時，當高端開關(guān)打開時，存儲在漏感器中的能量被傳輸?shù)捷敵龆恕４送猓�開關(guān)ZVS操作可以進一步提高能效。這種操作可以保證ACF實現(xiàn)高效性能的轉(zhuǎn)換器。

混合反激式（HFB）拓撲

圖3所示為CoolGaNIPS混合反激式（HFB）典型的轉(zhuǎn)換器拓撲應用示例。

圖3：HFB轉(zhuǎn)換器應用電路圖

混合反激轉(zhuǎn)換器的組成部分包括：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。該拓撲還受益于功率開關(guān)的軟開關(guān)操作，可實現(xiàn)高功率密度和高能效。采用與LLC在這種拓撲中，變壓器漏感和磁化電感可以與電容器諧振。此外，基于非互補開關(guān)模式的高級控制方案可以得到廣泛的支持AC輸入電壓和DC為了實現(xiàn)一般輸出電壓USB-C PD運行提供必要條件。

HFB一次側(cè)可以完全實現(xiàn)ZVS完全實現(xiàn)二次側(cè)操作ZCS操作。然后回收泄漏能量，實現(xiàn)高能效。混合反向拓撲可以通過可變占空比輕松實現(xiàn)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)混合反激轉(zhuǎn)換器的更多信息，請參考[1]。

圖4顯示了混合反激轉(zhuǎn)換器的工作原理。當高端開關(guān)打開時，混合反激轉(zhuǎn)換器將能量儲存在一次側(cè)電感器中。當?shù)投碎_關(guān)打開時，將能量傳輸?shù)捷敵龆恕Ｍㄟ^在兩個MOSFET對兩個開關(guān)進行適當?shù)亩〞r控制，HFB均在ZVS在沒有額外組件的情況下運行，保證了高系統(tǒng)能效。得益于ZVS實現(xiàn)高能效和操作ZCS二次側(cè)操作帶來的額外能效提升，混合反激轉(zhuǎn)換器如USB-PD超高功率密度轉(zhuǎn)換器，如快速充電器，提供了具有成本競爭力的解決方案。

圖4：HFB轉(zhuǎn)換器運行

LLC轉(zhuǎn)換器

圖5所示為CoolGaNIPS用于半橋LLC典型的拓撲應用示例。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)不采用常規(guī)脈寬調(diào)制（PWM）方式。LLC轉(zhuǎn)換器占50%，固定180%°相移運行，通過頻率調(diào)制調(diào)節(jié)電壓。半橋LLC轉(zhuǎn)換器的組成部分包括：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)換器應用電路圖

圖6中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。當高端開關(guān)打開時，半橋LLC轉(zhuǎn)換器在供電（PD）在模式下運行。諧振電路在此開關(guān)循環(huán)中受到正電壓的激勵，因此電流正向諧振。當?shù)投碎_關(guān)打開時，諧振電路受到負電壓的激勵，因此電流負向諧振。在PD在運行模式下，諧振電流和磁化電流之間的電流差通過變壓器和整流器傳輸?shù)蕉�次�?cè)，從而實現(xiàn)負載供電。

圖6：半橋LHoltIntegratedCircuits代理LC轉(zhuǎn)換器運行

此外，所有側(cè)面MOSFET均隨ZVS諧振連接完全回收存儲MOSFET寄生輸出電容中的能量。同時，所有二次側(cè)開關(guān)都隨之而來ZVS諧振關(guān)閉，以盡量減少通常與硬開關(guān)相關(guān)的開關(guān)損耗。LLC轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)設(shè)備均為諧振操作，最大限度地減少了動態(tài)損耗，提高了整體能效，特別是在數(shù)百人kHz至MHz工作頻率不同。

為實現(xiàn)高壓開關(guān)的零電壓開關(guān)（ZVS）工作中，這三種拓撲都使用變壓器中的循環(huán)電流進行開關(guān)QOSS放電。顯然，QOSS循環(huán)電流越大，放電時間越長。循環(huán)電流會增加變壓器損耗(鐵芯損耗和繞組損耗)，而放電時間會顯著增加死區(qū)時間。死區(qū)時間會降低有效占空比，導致電路中RMS電流較大，導通損耗增加。因此，最大限度地減少死區(qū)時間對于極高的開關(guān)頻率操作至關(guān)重要。GaN HEMT擁有優(yōu)異的FOM（RDS(on)×QOSS），有助于減少死區(qū)時間和電路中的循環(huán)電流。由于這一優(yōu)勢，以及低驅(qū)動損耗和零反向恢復，GaN HEMT是適用于ACF、HFB和半橋LLC轉(zhuǎn)換器的完美選擇。

CoolGaNIPS和65 W ACF轉(zhuǎn)換器評估板

為了進一步優(yōu)化系統(tǒng)尺寸，英飛凌最近推出了CoolGaN集成功率級（IPS），采用散熱增強型小型QFN封裝，將600 V增強模式CoolGaN開關(guān)與專用柵極驅(qū)動器集成。

為演示CoolGaNIPS基于性能，專門開發(fā)了性能CoolGaNIPS IGI60F1414A1L的65 W有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器(圖7)[2]

圖8：在不同的輸入電壓和負載條件下ACF評估板能效曲線

總結(jié)

目前常用于高功率密度充電器和適配器GaN HEMT，與硅相比MOSFET，它們的優(yōu)值系數(shù)（FOM）高頻開關(guān)可以大大改進。CoolGaNIPS該技術(shù)將柵極驅(qū)動器集成在緊湊型包裝中，可支持高工作頻率，特別適用于有源鉗位反激（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉(zhuǎn)換器有助于進一步提高充電器和適配器設(shè)計的功率密度。

如欲深入了解英飛凌CoolGaNIPS請訪問我們的相關(guān)網(wǎng)站，了解產(chǎn)品組合和綜合解決方案。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XDP數(shù)字功率XDPS2201年3月混合反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計

[2]Vartanian,R.《搭載IGI60F1414A1L的CoolGaNIPS2021年4月半橋評估板英飛凌科技應用筆記

[3]Bainan,S.,《CoolGaNGIT HEMT 600 V2021年12月英飛凌科技應用筆記《驅(qū)動快速參考指南》