英飞凌科技首席应用工程师Zhong Fang Wang、英飞凌科技高级主任应用工程师Matt Yang

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如今，充电器和适配器应用最常用的功率转换器拓扑是准谐振（QR）由于结构简单，控制简单，材料控制简单，反向拓扑（BOM）成本低，可通过谷物切换实现高能效。然而，与工作频率密切相关的开关损耗和变压器泄漏能量损耗限制了QR反激转换器的最大开关频率限制了功率密度。

在QR采用反激转换器GaN HEMT和平面变压器有助于提高开关频率和功率密度。然而，为了在超薄充电器和适配器的设计中实现更高的功率密度，软开关和变压器泄漏能量的回收是必不可少的。这必然会导致更高效的转换器拓扑。

本文阐述了如何使英飞凌飞行CoolGaN集成功率级（IPS）有源钳位反激技术的应用（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC转换器拓扑。这样，充电器和适配器解决方案就可以更快更容易地设计出来，创造出更小更轻的产品，或者尺寸相同但功率更高的产品，用来快速给设备充电，或者用一个适配器给多个设备充电。

转换器拓扑可以实现更高的功率密度

事实证明，得益于零电压开关（ZVS）无缓冲损耗，如有源钳反激式（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC半桥等转换器（HB）即使在高开关频率下，拓扑也能达到高能效。

有源钳位反激（ACF）拓扑

图1所示为CoolGaNIPS用于有源钳位反激（ACF）典型的转换器应用示例。在ACF拓扑中，当主开关断开，钳位开关打开时，变压器漏感可通过钳位开关回收存储（Llk）中的能量。Cclamp和Llk能量通过钳位开关与变压器共振传递到负载。与传统存储在无源钳位反激拓扑中的无源钳位反激拓扑相比，RCD钳位电路Llk能量量逐渐衰减，提高了系统的能效。精心设计的ACF拓扑可在软开关中使用ZVS因此，其工作开关的频率比在硬开关条件下运行的准谐振要高（QR）反向拓扑要高得多。这有助于减小磁性元件的尺寸，包括变压器和EMI滤波器。

图1：ACF转换器应用电路图

ACF转换器的组成部分包括：高端开关和低端开关、变压器、钳位电容器Cclamp以及整流器输出级和电容器。图2中显示的典型工作波形简要说明ACF转换器的工作原理。

图2：ACF转换器运行

当低端功率开关打开时，ACF转换器将能量储存在一次侧电感器和漏感器中（Llk）中间。此后，当低端功率开关关闭时，这些能量被传输到输出端。当低端开关关闭时，当高端开关打开时，存储在漏感器中的能量被传输到输出端。此外，开关ZVS操作可以进一步提高能效。这种操作可以保证ACF实现高效性能的转换器。

混合反激式（HFB）拓扑

图3所示为CoolGaNIPS混合反激式（HFB）典型的转换器拓扑应用示例。

图3：HFB转换器应用电路图

混合反激转换器的组成部分包括：高端开关和低端开关、变压器、谐振槽（Llk和Cr）以及整流器输出级和电容器。该拓扑还受益于功率开关的软开关操作，可实现高功率密度和高能效。采用与LLC在这种拓扑中，变压器漏感和磁化电感可以与电容器谐振。此外，基于非互补开关模式的高级控制方案可以得到广泛的支持AC输入电压和DC为了实现一般输出电压USB-C PD运行提供必要条件。

HFB一次侧可以完全实现ZVS完全实现二次侧操作ZCS操作。然后回收泄漏能量，实现高能效。混合反向拓扑可以通过可变占空比轻松实现宽输出范围。这克服了LLC拓扑在宽输出范围应用中的局限性。有关混合反激转换器的更多信息，请参考[1]。

图4显示了混合反激转换器的工作原理。当高端开关打开时，混合反激转换器将能量储存在一次侧电感器中。当低端开关打开时，将能量传输到输出端。通过在两个MOSFET对两个开关进行适当的定时控制，HFB均在ZVS在没有额外组件的情况下运行，保证了高系统能效。得益于ZVS实现高能效和操作ZCS二次侧操作带来的额外能效提升，混合反激转换器如USB-PD超高功率密度转换器，如快速充电器，提供了具有成本竞争力的解决方案。

图4：HFB转换器运行

LLC转换器

图5所示为CoolGaNIPS用于半桥LLC典型的拓扑应用示例。LLC转换器是谐振转换器系列的一员，这意味着电压调节不采用常规脉宽调制（PWM）方式。LLC转换器占50%，固定180%°相移运行，通过频率调制调节电压。半桥LLC转换器的组成部分包括：高端开关和低端开关、变压器、谐振槽（Lr和Cr）以及整流器输出级和电容器。

图5：半桥LLC转换器应用电路图

图6中显示的典型工作波形简要说明了半桥LLC转换器的工作原理。当高端开关打开时，半桥LLC转换器在供电（PD）在模式下运行。谐振电路在此开关循环中受到正电压的激励，因此电流正向谐振。当低端开关打开时，谐振电路受到负电压的激励，因此电流负向谐振。在PD在运行模式下，谐振电流和磁化电流之间的电流差通过变压器和整流器传输到二次侧，从而实现负载供电。

图6：半桥LHoltIntegratedCircuits代理LC转换器运行

此外，所有侧面MOSFET均随ZVS谐振连接完全回收存储MOSFET寄生输出电容中的能量。同时，所有二次侧开关都随之而来ZVS谐振关闭，以尽量减少通常与硬开关相关的开关损耗。LLC转换器中的所有开关设备均为谐振操作，最大限度地减少了动态损耗，提高了整体能效，特别是在数百人kHz至MHz工作频率不同。

为实现高压开关的零电压开关（ZVS）工作中，这三种拓扑都使用变压器中的循环电流进行开关QOSS放电。显然，QOSS循环电流越大，放电时间越长。循环电流会增加变压器损耗(铁芯损耗和绕组损耗)，而放电时间会显著增加死区时间。死区时间会降低有效占空比，导致电路中RMS电流较大，导通损耗增加。因此，最大限度地减少死区时间对于极高的开关频率操作至关重要。GaN HEMT拥有优异的FOM（RDS(on)×QOSS），有助于减少死区时间和电路中的循环电流。由于这一优势，以及低驱动损耗和零反向恢复，GaN HEMT是适用于ACF、HFB和半桥LLC转换器的完美选择。

CoolGaNIPS和65 W ACF转换器评估板

为了进一步优化系统尺寸，英飞凌最近推出了CoolGaN集成功率级（IPS），采用散热增强型小型QFN封装，将600 V增强模式CoolGaN开关与专用栅极驱动器集成。

为演示CoolGaNIPS基于性能，专门开发了性能CoolGaNIPS IGI60F1414A1L的65 W有源钳位反激转换器(图7)[2]

图8：在不同的输入电压和负载条件下ACF评估板能效曲线

总结

目前常用于高功率密度充电器和适配器GaN HEMT，与硅相比MOSFET，它们的优值系数（FOM）高频开关可以大大改进。CoolGaNIPS该技术将栅极驱动器集成在紧凑型包装中，可支持高工作频率，特别适用于有源钳位反激（ACF）、混合反激式（HFB）和LLC转换器有助于进一步提高充电器和适配器设计的功率密度。

如欲深入了解英飞凌CoolGaNIPS请访问我们的相关网站，了解产品组合和综合解决方案。还可以了解搭载IGI60F1414A1L（EVAL HB GANIPS G1）的高频CoolGaNTM IPS半桥600 V评估板。

参考资料：

[1]英飞凌科技应用笔记XDP数字功率XDPS2201年3月混合反激转换器设计

[2]Vartanian,R.《搭载IGI60F1414A1L的CoolGaNIPS2021年4月半桥评估板英飞凌科技应用笔记

[3]Bainan,S.,《CoolGaNGIT HEMT 600 V2021年12月英飞凌科技应用笔记《驱动快速参考指南》