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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換器拓撲是準諧振（QR）由于結構簡單，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高能效。然而，與工作頻率密切相關的開關損耗和變壓器泄漏能量損耗限制了QR反激轉換器的最大開關頻率限制了功率密度。

在QR采用反激轉換器GaN HEMT和平面變壓器有助于提高開關頻率和功率密度。然而，為了在超薄充電器和適配器的設計中實現更高的功率密度，軟開關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）有源鉗位反激技術的應用（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC轉換器拓撲。這樣，充電器和適配器解決方案就可以更快更容易地設計出來，創造出更小更輕的產品，或者尺寸相同但功率更高的產品，用來快速給設備充電，或者用一個適配器給多個設備充電。

轉換器拓撲可以實現更高的功率密度

事實證明，得益于零電壓開關（ZVS）無緩沖損耗，如有源鉗反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC半橋等轉換器（HB）即使在高開關頻率下，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）典型的轉換器應用示例。在ACF拓撲中，當主開關斷開，鉗位開關打開時，變壓器漏感可通過鉗位開關回收存儲（Llk）中的能量。Cclamp和Llk能量通過鉗位開關與變壓器共振傳遞到負載。與傳統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，提高了系統的能效。精心設計的ACF拓撲可在軟開關中使用ZVS因此，其工作開關的頻率比在硬開關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轉換器應用電路圖

ACF轉換器的組成部分包括：高端開關和低端開關、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轉換器的工作原理。

圖2：ACF轉換器運行

當低端功率開關打開時，ACF轉換器將能量儲存在一次側電感器和漏感器中（Llk）中間。此后，當低端功率開關關閉時，這些能量被傳輸到輸出端。當低端開關關閉時，當高端開關打開時，存儲在漏感器中的能量被傳輸到輸出端。此外，開關ZVS操作可以進一步提高能效。這種操作可以保證ACF實現高效性能的轉換器。

混合反激式（HFB）拓撲

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

圖3：HFB轉換器應用電路圖

混合反激轉換器的組成部分包括：高端開關和低端開關、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的軟開關操作，可實現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為了實現一般輸出電壓USB-C PD運行提供必要條件。

HFB一次側可以完全實現ZVS完全實現二次側操作ZCS操作。然后回收泄漏能量，實現高能效。混合反向拓撲可以通過可變占空比輕松實現寬輸出范圍。這克服了LLC拓撲在寬輸出范圍應用中的局限性。有關混合反激轉換器的更多信息，請參考[1]。

圖4顯示了混合反激轉換器的工作原理。當高端開關打開時，混合反激轉換器將能量儲存在一次側電感器中。當低端開關打開時，將能量傳輸到輸出端。通過在兩個MOSFET對兩個開關進行適當的定時控制，HFB均在ZVS在沒有額外組件的情況下運行，保證了高系統能效。得益于ZVS實現高能效和操作ZCS二次側操作帶來的額外能效提升，混合反激轉換器如USB-PD超高功率密度轉換器，如快速充電器，提供了具有成本競爭力的解決方案。

圖4：HFB轉換器運行

LLC轉換器

圖5所示為CoolGaNIPS用于半橋LLC典型的拓撲應用示例。LLC轉換器是諧振轉換器系列的一員，這意味著電壓調節不采用常規脈寬調制（PWM）方式。LLC轉換器占50%，固定180%°相移運行，通過頻率調制調節電壓。半橋LLC轉換器的組成部分包括：高端開關和低端開關、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轉換器的工作原理。當高端開關打開時，半橋LLC轉換器在供電（PD）在模式下運行。諧振電路在此開關循環中受到正電壓的激勵，因此電流正向諧振。當低端開關打開時，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到二次側，從而實現負載供電。

圖6：半橋LHoltIntegratedCircuits代理LC轉換器運行

此外，所有側面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，所有二次側開關都隨之而來ZVS諧振關閉，以盡量減少通常與硬開關相關的開關損耗。LLC轉換器中的所有開關設備均為諧振操作，最大限度地減少了動態損耗，提高了整體能效，特別是在數百人kHz至MHz工作頻率不同。

為實現高壓開關的零電壓開關（ZVS）工作中，這三種拓撲都使用變壓器中的循環電流進行開關QOSS放電。顯然，QOSS循環電流越大，放電時間越長。循環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時間。死區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時間對于極高的開關頻率操作至關重要。GaN HEMT擁有優異的FOM（RDS(on)×QOSS），有助于減少死區時間和電路中的循環電流。由于這一優勢，以及低驅動損耗和零反向恢復，GaN HEMT是適用于ACF、HFB和半橋LLC轉換器的完美選擇。

CoolGaNIPS和65 W ACF轉換器評估板

為了進一步優化系統尺寸，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開關與專用柵極驅動器集成。

為演示CoolGaNIPS基于性能，專門開發了性能CoolGaNIPS IGI60F1414A1L的65 W有源鉗位反激轉換器(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

目前常用于高功率密度充電器和適配器GaN HEMT，與硅相比MOSFET，它們的優值系數（FOM）高頻開關可以大大改進。CoolGaNIPS該技術將柵極驅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轉換器有助于進一步提高充電器和適配器設計的功率密度。

如欲深入了解英飛凌CoolGaNIPS請訪問我們的相關網站，了解產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數字功率XDPS2201年3月混合反激轉換器設計

[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《驅動快速參考指南》