當今充電器和適配器應用中最流行的電源轉換器拓撲是準諧振 （QR） 反激拓撲，這要歸功于其簡單的結構和控制、低物料清單成本以及由于谷底開關操作而產生的高效率。然而，開關的頻率相關開關損耗和變壓器的泄漏能量損耗限制了 QR 反激轉換器的最大開關頻率，從而限制了功率密度。

在 QR 反激式轉換器中采用GaN HEMT和平面變壓器有助于提高開關頻率和功率密度。然而，要為超薄充電器和適配器設計實現更高的功率密度，開關的軟開關和變壓器泄漏能量的回收變得必不可少。這不可避免地導致選擇具有內在更高效率的轉換器拓撲。

本文介紹了英飛凌的CoolGaN 集成功率級 （IPS）技術如何應用于有源鉗位反激 （ACF）、混合反激 （HFB） 和 LLC 轉換器拓撲。通過這種方式，充電器和適配器解決方案的設計變得更快、更容易，從而導致產品更小、更輕，或者產品能夠從相同尺寸的設備提供更多電力，從而更快地為設備充電或通過一個適配器為多個設備充電。

符合條件的轉換器拓撲結構可實現更高的功率密度

由于零電壓開關 （ZVS） 以及無緩沖器損耗，一些半橋拓撲（例如 ACF、HFB 和 LLC 轉換器）已被證明能夠實現高效率，即使在非常高的開關頻率下也是如此。

有源鉗位反激

圖 1 顯示了在 ACF 轉換器中運行的CoolGaN IPS的典型應用示例。在 ACF 拓撲中，當主開關關閉且鉗位開關打開時，鉗位開關提供了恢復存儲在變壓器漏感 （L lk ） 中的能量的路徑。C鉗位和 L lk通過鉗位開關和變壓器一起諧振，從而將能量傳輸到負載。與被動鉗位反激相比，這種能量回收提高了系統效率，其中能量存儲在 L lk中在傳統的 RCD 鉗位電路中阻尼。精心設計的 ACF 拓撲在軟開關 ZVS 條件下運行；因此，它可以以比 QR 反激式高得多的開關頻率運行，QR 反激式在硬開關條件下工作。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 轉換器的應用電路

ACF 轉換器由高邊和低邊開關、變壓器、鉗位電容器 （ Clamp ） 以及整流器和電容器的輸出級組成。圖 2 顯示了簡要說明 ACF 轉換器工作原理的典型工作波形。

圖 2：ACF 轉換器的操作

當低側開關打開時，ACF 轉換器將能量存儲在初級側電感器和漏電感器中。之后，當低側開關關閉時，能量被轉移到輸出端。在低側開關關斷期間，存儲在漏感電感中的能量在高側開關開啟時傳輸到輸出。此外，開關的 ZVS 操作進一步提高了效率。所有這些優點使 ACF 轉換器的高效性能成為可能。

混合反激式

圖 3 顯示了CoolGaN IPS在 HFB 拓撲中運行的典型應用示例。

圖 3：HFB 轉換器的應用電路

HFB 轉換器由高側和低側開關、變壓器、諧振回路（L lk和 C r）以及整流器和電容器的輸出級組成。它是另一種受益于功率開關的軟開關操作并且可以實現高功率密度和效率的拓撲。在這種拓撲結構中，變壓器漏感和勵磁電感在與 LLC 轉換器相同的概念下與電容器諧振。采用非互補開關模式實施的高級控制方案提供了一種支持廣泛的交流輸入和直流輸出電壓的解決方案，這是通用USB-C PD操作所必需的。

HFB 可實現原邊全 ZVS 操作和副邊全零電流開關 （ZCS） 操作，并回收泄漏能量，從而實現高效率。HFB 可以通過不斷變化的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限制。有關 HFB 轉換器的更多信息，請查看本文末尾的參考 1。

圖 4 顯示了典型的工作波形，以簡要說明 HFB 轉換器的工作原理。當高端開關開啟時，HFB 轉換器將能量存儲在初級端電感中。當低側開關打開時，存儲在初級側電感器中的能量被傳輸到輸出端。通過在兩個 MOSFET 的開關轉換期間進行適當的時序控制，HFB 在兩個器件的 ZVS 下運行，從而確保高系統效率而無需額外的組件。ZVS 的優勢和次級側 ZCS 操作的進一步效率提高使 HFB 成為超高功率密度轉換器（如USB-PD 快速充電器）的具有成本競爭力的解決方案。

圖 4：HFB 轉換器的運行

LLC轉換器

圖 5 顯示了CoolGaN IPS在半橋 LLC 拓撲中運行的典型應用示例。LLC 轉換器是諧振轉換器系列的一部分，這意味著調節不同于傳統的脈寬調制方案。LLC 轉換器以 50% 的占空比和固定的 180° 相移運行，通過頻率調制實現調節。半橋 LLC 轉換器由高側和低側開關、變壓器、諧振回路（L r和 C r）以及整流器和電容器的輸出級組成。

圖 5：半橋 LLC 轉換器的應用電路

圖 6 顯示了典型的工作波形，以簡要說明半橋 LLC 轉換器的工作原理。當高邊開關打開時，半橋 LLC 轉換器以供電模式運行。諧振回路由正電壓激勵，因此在此開關周期中電流沿正方向諧振。當低側開關打開時，諧振回路被負電壓激勵，因此電流在負方向諧振。在供電運行過程中，諧振電流與勵磁電流之差通過變壓器和整流器到達二次側，將電能輸送到負載。

圖 6：半橋 LLC 轉換器的操作

此外，所有初級側 MOSFET 在 ZVS 的情況下諧振開啟，導致 MOSFET 寄生輸出電容中包含的能量完全回收。同時，所有次級側開關都隨著 ZCS 諧振關閉，以最大限度地減少通常與硬開關相關的開關損耗。LLC 轉換器中所有開關器件的諧振操作可將動態損耗降至最低，從而提高整體效率，尤其是在數百千赫至兆赫范圍內的較高工作頻率下。

為了實現高壓開關的 ZVS，所有三種拓撲都利用變壓器中的循環電流對開關的 Q oss進行放電。顯然，更高的 Q oss需要更高的循環電流和更長的放電時間。循環電流會導致額外的變壓器損耗（鐵芯和繞組損耗），而放電時間會顯著影響死區時間。死區時間降低了有效占空比并導致電路中的 RMS 電流更高，從而增加了傳導損耗。因此，對于非常高的開關頻率操作，最小化死區時間至關重要。具有R DS（on） × Q oss的優越品質因數 （FOM） ，GaN HEMT 有助于減少死區時間以及電路中的循環電流。這一優勢與低驅動損耗和零反向恢復相結合，使 GaN HEMT 成為 ACF、HFB 和半橋 LLC 轉換器的完美匹配。

COOLGaN IPS 和 65-W ACF 轉換器評估板

為幫助進一步改善系統尺寸，英飛凌最近推出了CoolGaN IPS，它將 600-V 增強型CoolGaN 開關與專用柵極驅動器結合在一個耐熱增強型小型 QFN 封裝中。

為了展示 CoolGaN IPS 的性能，開發了一款采用 CoolGaN IPS IGI60F1414A1L設計的 65W ACF 轉換器（圖 7） 。2

圖 7：采用 CoolGaN IPS 半橋的 65W ACF 評估板的俯視圖

實測效率曲線（圖 8）表明，它滿足 CoC Tier 2 和 DoE Level VI 效率要求，即四點平均效率和 10% 負載條件效率。

圖 8：不同輸入電壓和負載條件下的 ACF 評估板效率曲線

概括

GaN HEMT在當今的高功率密度充電器和適配器應用中變得很流行，因為與硅 MOSFET 相比，它們的 FOM 大大改進，因此可以提供高頻開關。憑借其在緊湊封裝中的高效率和集成柵極驅動器，由于其在 ACF、HFB 和 LLC 轉換器中的完美應用 ，CoolGaN IPS 技術處于有利地位，可實現更高功率密度的充電器和適配器設計。

審核編輯：郭婷