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英飛凌科技首席應(yīng)用工程師Zhong Fang Wang、英飛凌科技高級(jí)主任應(yīng)用工程師Matt Yang

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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）由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，材料控制簡(jiǎn)單，反向拓?fù)洌˙OM）成本低，可通過(guò)谷物切換實(shí)現(xiàn)高能效。然而，與工作頻率密切相關(guān)的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，軟開(kāi)關(guān)和變壓器泄漏能量的回收是必不可少的。這必然會(huì)導(dǎo)致更高效的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

本文闡述了如何使英飛凌飛行CoolGaN集成功率級(jí)（IPS）有源鉗位反激技術(shù)的應(yīng)用（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹＿@樣，充電器和適配器解決方案就可以更快更容易地設(shè)計(jì)出來(lái)，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(lái)快速給設(shè)備充電，或者用一個(gè)適配器給多個(gè)設(shè)備充電。

轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)更高的功率密度

事實(shí)證明，得益于零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）無(wú)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(kāi)關(guān)頻率下，拓?fù)湟材苓_(dá)到高能效。

有源鉗位反激（ACF）拓?fù)?/b>

圖1所示為CoolGaNIPS用于有源鉗位反激（ACF）典型的轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示例。在ACF拓?fù)渲校��?dāng)主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，鉗位開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，變壓器漏感可通過(guò)鉗位開(kāi)關(guān)回收存儲(chǔ)（Llk）中的能量。Cclamp和Llk能量通過(guò)鉗位開(kāi)關(guān)與變壓器共振傳遞到負(fù)載。與傳統(tǒng)存儲(chǔ)在無(wú)源鉗位反激拓?fù)渲械臒o(wú)源鉗位反激拓?fù)湎啾龋琑CD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(jì)的ACF拓?fù)淇稍谲涢_(kāi)關(guān)中使用ZVS因此，其工作開(kāi)關(guān)的頻率比在硬開(kāi)關(guān)條件下運(yùn)行的準(zhǔn)諧振要高（QR）反向拓?fù)湟�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(yīng)用電路圖

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

圖2：ACF轉(zhuǎn)換器運(yùn)行

當(dāng)?shù)投斯β书_(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，ACF轉(zhuǎn)換器將能量?jī)?chǔ)存在一次側(cè)電感器和漏感器中（Llk）中間。此后，當(dāng)?shù)投斯β书_(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，這些能量被傳輸?shù)捷敵龆恕．?dāng)?shù)投碎_(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，當(dāng)高端開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，存儲(chǔ)在漏感器中的能量被傳輸?shù)捷敵龆恕４送猓�開(kāi)關(guān)ZVS操作可以進(jìn)一步提高能效。這種操作可以保證ACF實(shí)現(xiàn)高效性能的轉(zhuǎn)換器。

混合反激式（HFB）拓?fù)?/b>

圖3所示為CoolGaNIPS混合反激式（HFB）典型的轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋺?yīng)用示例。

圖3：HFB轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖

混合反激轉(zhuǎn)換器的組成部分包括：高端開(kāi)關(guān)和低端開(kāi)關(guān)、變壓器、諧振槽（Llk和Cr）以及整流器輸出級(jí)和電容器。該拓?fù)溥�受益于功率開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)操作，可實(shí)現(xiàn)高功率密度和高能效。采用與LLC在這種拓?fù)渲校�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(bǔ)開(kāi)關(guān)模式的高級(jí)控制方案可以得到廣泛的支持AC輸入電壓和DC為了實(shí)現(xiàn)一般輸出電壓USB-C PD運(yùn)行提供必要條件。

HFB一次側(cè)可以完全實(shí)現(xiàn)ZVS完全實(shí)現(xiàn)二次側(cè)操作ZCS操作。然后回收泄漏能量，實(shí)現(xiàn)高能效。混合反向拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)可變占空比輕松實(shí)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)混合反激轉(zhuǎn)換器的更多信息，請(qǐng)參考[1]。

圖4顯示了混合反激轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，混合反激轉(zhuǎn)換器將能量?jī)?chǔ)存在一次側(cè)電感器中。當(dāng)?shù)投碎_(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，將能量傳輸?shù)捷敵龆恕Ｍㄟ^(guò)在兩個(gè)MOSFET對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)控制，HFB均在ZVS在沒(méi)有額外組件的情況下運(yùn)行，保證了高系統(tǒng)能效。得益于ZVS實(shí)現(xiàn)高能效和操作ZCS二次側(cè)操作帶來(lái)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(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

圖4：HFB轉(zhuǎn)換器運(yùn)行

LLC轉(zhuǎn)換器

圖5所示為CoolGaNIPS用于半橋LLC典型的拓?fù)鋺?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)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(yùn)行，通過(guò)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(kāi)關(guān)和低端開(kāi)關(guān)、變壓器、諧振槽（Lr和Cr）以及整流器輸出級(jí)和電容器。

圖5：半橋LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖

圖6中顯示的典型工作波形簡(jiǎn)要說(shuō)明了半橋LLC轉(zhuǎn)換器的工作原理。當(dāng)高端開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，半橋LLC轉(zhuǎn)換器在供電（PD）在模式下運(yùn)行。諧振電路在此開(kāi)關(guān)循環(huán)中受到正電壓的激勵(lì)，因此電流正向諧振。當(dāng)?shù)投碎_(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，諧振電路受到負(fù)電壓的激勵(lì)，因此電流負(fù)向諧振。在PD在運(yùn)行模式下，諧振電流和磁化電流之間的電流差通過(guò)變壓器和整流器傳輸?shù)蕉�次�?cè)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載供電。

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

此外，所有側(cè)面MOSFET均隨ZVS諧振連接完全回收存儲(chǔ)MOSFET寄生輸出電容中的能量。同時(shí)，所有二次側(cè)開(kāi)關(guān)都隨之而來(lái)ZVS諧振關(guān)閉，以盡量減少通常與硬開(kāi)關(guān)相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗。LLC轉(zhuǎn)換器中的所有開(kāi)關(guān)設(shè)備均為諧振操作，最大限度地減少了動(dòng)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(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）工作中，這三種拓?fù)涠际褂米儔浩髦械难�環(huán)電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)QOSS放電。顯然，QOSS循環(huán)電流越大，放電時(shí)間越長(zhǎng)。循環(huán)電流會(huì)增加變壓器損耗(鐵芯損耗和繞組損耗)，而放電時(shí)間會(huì)顯著增加死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間會(huì)降低有效占空比，導(dǎo)致電路中RMS電流較大，導(dǎo)通損耗增加。因此，最大限度地減少死區(qū)時(shí)間對(duì)于極高的開(kāi)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(shí)間和電路中的循環(huán)電流。由于這一優(yōu)勢(shì)，以及低驅(qū)動(dòng)損耗和零反向恢復(fù)，GaN HEMT是適用于ACF、HFB和半橋LLC轉(zhuǎn)換器的完美選擇。

CoolGaNIPS和65 W ACF轉(zhuǎn)換器評(píng)估板

為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)尺寸，英飛凌最近推出了CoolGaN集成功率級(jí)（IPS），采用散熱增強(qiáng)型小型QFN封裝，將600 V增強(qiáng)模式CoolGaN開(kāi)關(guān)與專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)器集成。

為演示CoolGaNIPS基于性能，專(zhuān)門(mén)開(kāi)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(fù)載條件下ACF評(píng)估板能效曲線(xiàn)

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(kāi)關(guān)可以大大改進(jìn)。CoolGaNIPS該技術(shù)將柵極驅(qū)動(dòng)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(jìn)一步提高充電器和適配器設(shè)計(jì)的功率密度。

如欲深入了解英飛凌CoolGaNIPS請(qǐng)?jiān)L問(wèn)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(píng)估板。

參考資料：

[1]英飛凌科技應(yīng)用筆記XDP數(shù)字功率XDPS2201年3月混合反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

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

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