采用GaN HEMT器件最大限度提高下一代USB充電器功率密度
2022-12-05
作者:英飛凌科技(Infineon Technologies) 首席工程師Matthias Kasper,高級主管工程師Jon Azurza
來源:英飛凌
作為減少電子垃圾數(shù)量倡議的組成部分,歐盟要求開發(fā)一種基于USB-C標準的小型通用充電設備,需要適用于所有類型的可攜帶設備,如電動自行車、移動設備和功能更加強大的便攜式計算機等,所有這些設備都需要定期快速充電。這種設備裝置需要滿足范圍廣泛的輸出電壓,能夠在世界各地所有類型電源電壓下工作,并具有足以同時對多個設備進行充電的高額定功率。這種要求將使USB-C充電器的功率水平從65 W上升到240 W。在該功率水平上進行功率因數(shù)校正(PFC),實現(xiàn)較高功率密度,同時能夠在寬電壓范圍內(nèi)保持電壓調(diào)節(jié),這些都變得越來越具有挑戰(zhàn)性。氮化鎵高電子遷移率(GaN HEMT)器件被認為是實現(xiàn)高功率密度的重要潛在技術。因此,英飛凌科技很早之前就著手研究GaN HEMT是否能夠兌現(xiàn)這些承諾,為下一代充電應用提供所需的功率密度水平。在本文中,我們將討論英飛凌科技采用的技術以及研發(fā)成果。
應對挑戰(zhàn)
這種新型充電器設計面臨著多種挑戰(zhàn),除PFC外,還包括寬范圍的輸入(90~265 VRMS )和輸出電壓(5~48V),并需要以高功率密度外形提供兩個獨立USB-C輸出端口。實現(xiàn)高功率密度尤其具有挑戰(zhàn)性,因為熱量只能通過自然對流和輻射從充電器中消除。圖1顯示為所需工作效率與功率密度的關系曲線和一個240W充電器的設計規(guī)范。為了保持最高70℃的表面溫度和最大功率密度,要求設計效率至少達到96%。
選擇拓撲架構
為了幫助確定設計的最佳拓撲架構,可以采用不同的控制和隔離功能選項。對于PFC(整流器)級,需要考慮降壓、升壓和降壓-升壓型PFC拓撲。升壓PFC提供的直流鏈路電壓高于峰值電網(wǎng)電壓,但降壓PFC級提供的較低電壓則可以簡化后續(xù)DC/DC級設計。然而,在單相系統(tǒng)中使用降壓轉換器的一個缺點是,它有不連續(xù)的電流輸入,這會產(chǎn)生電網(wǎng)側不可接受的諧波,特別是在較低電壓更為嚴重,因此不能使用降壓轉換器。DC/DC轉換器要求進行電流隔離,以提供更安全運行,并允許獨立控制兩個USB-C端口中的每一個。這可以通過多種方式實現(xiàn)。一種選擇是采用混合反激(HFB)DC/DC轉換器,然后通過兩個降壓轉換器,提供同步隔離和調(diào)節(jié)?;蛘?,通過使用具有固定轉換比的“DC變壓器”(DCX)轉換器,第一級DC/DC轉換可用于僅提供隔離(無調(diào)節(jié))。第三種方法是使用兩個隔離和調(diào)節(jié)轉換器(如HFB),每個輸出端口一個。但是,這種方式無法提供所需的功率密度水平,因為它需要兩個變壓器,每個變壓器的額定功率為轉換器的全部功率。
USB充電解決方案及其性能
使用詳細的多目標(效率與功率密度)帕累托優(yōu)化方式,在充分考慮這些不同方法的相對優(yōu)缺點之后,可以選擇了一個2x交錯圖騰極點PFC,帶升壓跟隨器(boost-follower)調(diào)制,并結合有一個DCX和兩個后續(xù)降壓級(參見圖2)。
通過在每個橋臂(即有效值800 kHz)以固定開關頻率(400 kHz)連續(xù)導通模式(CCM)下運行,并結合較小的升壓電感值,PFC級能夠在所有負載和輸入rms電壓條件下的整個線路周期內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(ZVS)。這種模式會在升壓電感和開關中產(chǎn)生較大的紋波電流,因此使用了兩個交錯的高頻橋臂,該模式具有下列優(yōu)點。首先,為了實現(xiàn)零電壓開關,電橋每個橋臂的平均電流為PFC總電流的50%,這將每個電感器所需電流紋波減小了一半。其次,橋臂相移180°導致EMI濾波器的有效開關頻率加倍,這降低了要求濾波器提供的衰減水平,因此,EMI濾波器可以做得更小。最后,由于功率損耗分布在更多組件上,所以不會出現(xiàn)集中發(fā)熱點。
DCX轉換器在425kHz的諧振頻率下工作,并且僅通過使用ZVS過渡的磁化電流來實現(xiàn)ZVS(與負載無關)。選擇變壓器的匝數(shù)比(5.6:1),以便300~400V的直流鏈路電壓范圍能夠映射到降壓級的輸入電壓范圍(52~71V)。這使得能夠在DCX級和兩個輸出降壓級中使用額定100V的肖特基柵極(SG)GaN HEMT器件作為同步整流器。
結論
GaNHEMT器件能夠在高開關頻率下執(zhí)行軟開關和硬開關,其特性允許使用高級拓撲、調(diào)制和控制方案。因此,這種240W USB-C充電器設計能夠在90Vrms輸入和48V輸出的滿載運行情況下實現(xiàn)95.3%的總體系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的功率密度為42 W/in3(無外殼),比現(xiàn)有硅基充電器的功率密度高出約2倍。這些結果表明,GaN HEMT器件能夠很好地滿足下一代寬輸入/輸出電壓范圍、高功率密度USB-C充電器的設計要求。