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(biāo)準(zhǔn)的小型通用充電設(shè)備，需要適用于所有類型的可攜帶設(shè)備，如電動(dòng)自行車、移動(dòng)設(shè)備和功能更加強(qiáng)大的便攜式計(jì)算機(jī)等，所有這些設(shè)備都需要定期快速充電。這種設(shè)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(shí)對多個(gè)設(shè)備進(jìn)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(jìn)行功率因數(shù)校正（PFC），實(shí)現(xiàn)較高功率密度，同時(shí)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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高功率密度的重要潛在技術(shù)。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(yīng)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(shù)以及研發(fā)成果。

應(yīng)對挑戰(zhàn)

這種新型充電器設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立USB-C輸出端口。實(shí)現(xiàn)高功率密度尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闊崃恐荒芡ㄟ^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(guān)系曲線和一個(gè)240W充電器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)效率至少達(dá)到96%。

選擇拓?fù)浼軜?gòu)

為了幫助確定設(shè)計(jì)的最佳拓?fù)浼軜?gòu)，可以采用不同的控制和隔離功能選項(xiàng)。對于PFC（整流器）級，需要考慮降壓、升壓和降壓-升壓型PFC拓?fù)?。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(shè)計(jì)。然而，在單相系統(tǒng)中使用降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是，它有不連續(xù)的電流輸入，這會產(chǎn)生電網(wǎng)側(cè)不可接受的諧波，特別是在較低電壓更為嚴(yán)重，因此不能使用降壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器要求進(jìn)行電流隔離，以提供更安全運(yùn)行，并允許獨(dú)立控制兩個(gè)USB-C端口中的每一個(gè)。這可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。一種選擇是采用混合反激（HFB）DC/DC轉(zhuǎn)換器，然后通過兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，提供同步隔離和調(diào)節(jié)?；蛘?，通過使用具有固定轉(zhuǎn)換比的“DC變壓器”（DCX）轉(zhuǎn)換器，第一級DC/DC轉(zhuǎn)換可用于僅提供隔離（無調(diào)節(jié)）。第三種方法是使用兩個(gè)隔離和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器（如HFB），每個(gè)輸出端口一個(gè)。但是，這種方式無法提供所需的功率密度水平，因?yàn)樗枰獌蓚€(gè)變壓器，每個(gè)變壓器的額定功率為轉(zhuǎn)換器的全部功率。

USB充電解決方案及其性能

使用詳細(xì)的多目標(biāo)（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(diǎn)之后，可以選擇了一個(gè)2x交錯(cuò)圖騰極點(diǎn)PFC，帶升壓跟隨器（boost-follower）調(diào)制，并結(jié)合有一個(gè)DCX和兩個(gè)后續(xù)降壓級（參見圖2）。

通過在每個(gè)橋臂（即有效值800 kHz）以固定開關(guān)頻率（400 kHz）連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下運(yùn)行，并結(jié)合較小的升壓電感值，PFC級能夠在所有負(fù)載和輸入rms電壓條件下的整個(gè)線路周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）。這種模式會在升壓電感和開關(guān)中產(chǎn)生較大的紋波電流，因此使用了兩個(gè)交錯(cuò)的高頻橋臂，該模式具有下列優(yōu)點(diǎn)。首先，為了實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，電橋每個(gè)橋臂的平均電流為PFC總電流的50%，這將每個(gè)電感器所需電流紋波減小了一半。其次，橋臂相移180°導(dǎo)致EMI濾波器的有效開關(guān)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(diǎn)。

DCX轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)ZVS（與負(fù)載無關(guān)）。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(gè)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(jié)論

GaNHEMT器件能夠在高開關(guān)頻率下執(zhí)行軟開關(guān)和硬開關(guān)，其特性允許使用高級拓?fù)洹⒄{(diào)制和控制方案。因此，這種240W USB-C充電器設(shè)計(jì)能夠在90Vrms輸入和48V輸出的滿載運(yùn)行情況下實(shí)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(jié)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(shè)計(jì)要求。