《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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

2022-03-31
來源:電子產(chǎn)品世界
關(guān)鍵詞: 英飛凌 GaN轉(zhuǎn)換器

  英飛凌科技首席應(yīng)用工程師Zhong Fang Wang、英飛凌科技高級主任應(yīng)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(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驗樗Y(jié)構(gòu)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(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)計中實現(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(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)?。采取這種方式可以更快速、更輕松地設(shè)計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,或用一個適配器為多個設(shè)備充電。

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

  事實證明,得益于零電壓開關(guān)(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(zhuǎn)換器等半橋(HB)拓?fù)?,即使在很高開關(guān)頻率下也能實現(xiàn)高能效。

  有源鉗位反激式(ACF)拓?fù)?/p>

  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,可經(jīng)由鉗位開關(guān)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(guān)和變壓器一起諧振,從而將能量傳送到負(fù)載。相比于在無源鉗位反激式拓?fù)渲校鎯τ趥鹘y(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)計的ACF拓?fù)淇稍谲涢_關(guān)ZVS條件下運行,因此,它的工作開關(guān)頻率比在硬開關(guān)條件下運行的準(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。

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  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以及整流器輸出級和電容器。圖2顯示的典型工作波形,簡要說明了ACF轉(zhuǎn)換器的工作原理。

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  圖2:ACF轉(zhuǎn)換器運行

  當(dāng)?shù)投斯β书_關(guān)接通時,ACF轉(zhuǎn)換器將能量存儲在一次側(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,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,存儲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)換器實現(xiàn)高效性能。

  混合反激式(HFB)拓?fù)?/p>

  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。

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  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,這為實現(xiàn)通用USB-C PD運行提供了必要條件。

  HFB可以在一次側(cè)實現(xiàn)完全ZVS操作,在二次側(cè)實現(xiàn)完全ZCS操作。隨后,再回收漏感能量,以實現(xiàn)高能效?;旌戏醇な酵?fù)淇赏ㄟ^可變占空比,輕松實現(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。

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  圖4:HFB轉(zhuǎn)換器運行

  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。

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  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),從而實現(xiàn)給負(fù)載供電。

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  圖6:半橋LLC轉(zhuǎn)換器運行

  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,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]

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  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(fù)載條件效率均符合CoC Tier2和DoE Level VI效率要求。

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  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,因為相比于硅MOSFET,它們的優(yōu)值系數(shù)(FOM)大為改善,可以實現(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




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