GaN 高電子遷移率晶體管 (GaN HEMT) 具有更低的驅(qū)動(dòng)損耗和更短的死區(qū)時(shí)間電路優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闁艠O顯著減少

與硅 MOSFET 相比，GaN 高電子遷移率晶體管 (GaN HEMT) 具有更低的驅(qū)動(dòng)損耗和更短的死區(qū)時(shí)間電路優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闁艠O電荷 (Qg) 和輸出電容 (Coss) 顯著降低。因此，GaN HEMT 在高頻軟開關(guān)諧振拓?fù)洌ㄈ?LLC 諧振轉(zhuǎn)換器）中顯示出優(yōu)于硅 MOSFET 的顯著優(yōu)勢(shì)。隨著開關(guān)頻率（fsw)，可以減小變壓器鐵芯尺寸。此外，采用 3-D PCB 結(jié)構(gòu)來提高功率密度。精心設(shè)計(jì)了 190 瓦、400V-19V GaN Systems 基于 E-HEMT 的 LLC DC-DC 諧振轉(zhuǎn)換器，并且該變壓器針對(duì)工作在 600kHz 以上的高端適配器應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。該轉(zhuǎn)換器展示了功率密度超過 63W/inch3 的完整設(shè)計(jì)，包括 400V 總線電容器，峰值效率為 96%。

高功率密度是 GaN HEMT 廣泛用于低功耗消費(fèi)類應(yīng)用（例如筆記本電腦適配器、平板電視和一體式臺(tái)式計(jì)算機(jī)）的關(guān)鍵動(dòng)機(jī)之一。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換拓?fù)淇捎行岣咝?，特別是對(duì)于開關(guān)損耗比傳導(dǎo)損耗更重要的高輸入電壓應(yīng)用。串聯(lián)和并聯(lián)電感通常利用漏電感和勵(lì)磁電感集成到變壓器中，從而減少元件數(shù)量。本文旨在展示使用 GaN HEMT 的高功率密度和高效率 DC-DC LLC 解決方案。

表 1. QG 和 COSS 比較。

GaN HEMT 在高頻軟開關(guān) LLC 應(yīng)用中運(yùn)行的能力

與硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 具有顯著降低的柵極電荷 (Qg) 和輸出電容 (Coss)，從而導(dǎo)致更低的驅(qū)動(dòng)損耗和更短的導(dǎo)通/關(guān)斷周期。因此，GaN HEMT 在高頻軟開關(guān)諧振拓?fù)洌ɡ?LLC 諧振轉(zhuǎn)換器）中顯示出優(yōu)于硅 MOSFET 的顯著優(yōu)勢(shì)。

為了更深入地了解 GaN 在高頻軟開關(guān)諧振轉(zhuǎn)換器中的潛在優(yōu)勢(shì)，我們必須將 GaN HEMT 的關(guān)鍵參數(shù)與傳統(tǒng) Si MOSFET 的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行比較。例如，選擇 GaN Systems 的 GS55504B 與有源 Si MOSFET（IPx65R110CFD 和 IPP60R105CFD7）進(jìn)行比較，因?yàn)樗鼈兙哂邢喈?dāng)?shù)?RDS(ON) 值。下表顯示了關(guān)鍵參數(shù)的比較：VDS、RDS (ON)、QG、CO (ER) 和 CO (TR)。

圖 1. Qg 比較

圖 2. 柵極驅(qū)動(dòng)器損耗比較

A. GaN 的 Qg 優(yōu)勢(shì)

如圖 1 所示，與 IPx65R110CFD 和 IPP60R105CFD7 相比，GS55504B 的柵極電荷 (Qg) 顯著降低，從而降低了驅(qū)動(dòng)損耗。圖 2 顯示了不同開關(guān)頻率下柵極驅(qū)動(dòng)器損耗的比較。兩種器件之間的損耗差異隨著開關(guān)頻率的增加而急劇增加，證明了 GaN HEMT 在高開關(guān)頻率下工作的優(yōu)勢(shì)。

圖 3. 成本比較

圖 4. 成本能量比較

圖 5. 關(guān)斷時(shí)的 Coss 充電時(shí)間比較。

B. GaN 的成本優(yōu)勢(shì)

Si MOSFET 的 Coss 在低電壓下是高度非線性的。GaN HEMT 的 Coss 值具有顯著降低的輸出電容 (Coss) 和 Coss 能量，從而導(dǎo)致更短的導(dǎo)通/關(guān)斷周期，如圖 5 所示。該特性允許實(shí)現(xiàn)更短的死區(qū)時(shí)間和更高的開關(guān)頻率操作。

C. LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的GaN優(yōu)勢(shì)

圖 6 繪制了基于 GaN 的半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖 6. 基于 GaN 的半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器。

對(duì)于在低于諧振區(qū)域和諧振點(diǎn)工作的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，初級(jí)側(cè)半橋開關(guān) S1 和 S2 始終安全開啟，而不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗（零電壓開關(guān)）。電源開關(guān)產(chǎn)生的總損耗由三部分組成：1）驅(qū)動(dòng)損耗（由 Qg 決定），2）傳導(dǎo)損耗（由 RDS(ON) 決定）和 3）關(guān)斷損耗（由 Coss 決定）。經(jīng)分析，當(dāng)應(yīng)用于高頻軟開關(guān)頻率 LLC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，GS55504B 與 Si MOSFET 相比具有上述所有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

LLC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)規(guī)范如表 2 所示，在兩級(jí)適配器應(yīng)用中非常流行。設(shè)計(jì)了LLC槽，參數(shù)如表3所示。

表 2：設(shè)計(jì)規(guī)格

表 3：LLC 諧振槽參數(shù)

高功率密度 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的 3D PCB 結(jié)構(gòu)解決方案

A. 3-D 結(jié)構(gòu)概念

為了提高基于 GaN HEMT 的 LLC 原型的功率密度，還使用了“3-D PCB”概念，其中所有有源開關(guān)、功率二極管和 MCU 都組裝在 PCB 子卡上。

B. 實(shí)施

整個(gè)LLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)由以下四部分組成：

PCB板1

具有兩個(gè) GaN HEMT (GS66504B) 和自舉驅(qū)動(dòng)電路 (32mm (L) × 19mm (W)) 的初級(jí)側(cè)半橋子卡。由于 GS66504B 是底部冷卻器件，一個(gè) 17mm × 17mm 方形散熱器連接到 PCB 底部以冷卻兩個(gè) GaN HEMT。

圖 7. 初級(jí)側(cè)半橋子卡 PCB 布局（頂部）和圖片（底部）。

PCB板2

帶外圍電路的初級(jí)側(cè)數(shù)字控制器 (26mm (L) × 20mm (W))。該拓?fù)洳捎脭?shù)字控制解決方案，將輸出電壓調(diào)節(jié)、OVP 和 OCP 功能集成到一個(gè)低成本 MCU（Microchip 的 DPIC33FJ06GS202A）中。

圖 8. 初級(jí)側(cè)數(shù)字控制器子卡 PCB 布局（頂部）和圖片（底部）。

PCB板3

副邊同步整流子卡（20mm（長(zhǎng)）×17mm（寬））。所有組件都僅焊接在頂部。一個(gè) 20mm × 20mm 方形散熱器連接到 PCB 的底部，以冷卻四個(gè)同步整流器 MOSFET（2 × 2 并聯(lián) MOSFET）。

圖 9. 次級(jí)側(cè)同步整流子卡 PCB 布局（左）和圖片（右）。

PCB板4

帶有輸入電容器、輸出濾波器和集成變壓器（69mm (L) × 34mm (W)）的主板如圖 10 所示。主板上為 PCB 板 #1、PCB 板 #2 和 PCB 板 # 提供了三個(gè)插槽3 插入。

圖 10. 設(shè)計(jì)的基于 GaN 的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器原型。

C. LLC 原型及其功率密度

完成的原型及其尺寸如圖 11 所示。所有散熱器都連接到子卡的底部，這對(duì) PCB 板 #1 上的底部冷卻器件有效??，例如 GaN HEMT、GS66504B和次級(jí)側(cè)同步整流器 PCB 板 #3。

設(shè)計(jì)的高頻 LLC 轉(zhuǎn)換器在半載和滿載下工作的關(guān)鍵波形如圖 11 和圖 12 所示。

圖 11. 當(dāng) Vin=400V、Vout=19V、Io=5A Po=95W、Fs=623kHz（50% 負(fù)載）時(shí)，所提出的高功率密度 GaN HEMT LLC 轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)波形。

測(cè)試了不同負(fù)載下的效率，如圖 13 所示，不包括輔助繞組的功率損耗。峰值效率在 95W（50% 負(fù)載）時(shí)達(dá)到 96.1%，而在 190W（100% 負(fù)載）時(shí)的效率為 95.6%。

圖 12. Vin=400V、Vo=19V、Io=1A (19W) 至 10A (190W) 時(shí)不同負(fù)載下的效率性能。

測(cè)試了不同負(fù)載下的效率，如圖 13 所示，不包括輔助繞組的功率損耗。峰值效率在 95W（50% 負(fù)載）時(shí)達(dá)到 96.1%，而在 190W（100% 負(fù)載）時(shí)的效率為 95.6%。

GaN HEMT 提供更高的開關(guān)頻率

GaN HEMT 具有卓越的品質(zhì)因數(shù)（低 Qg、RDS(ON) 和 COSS），使諧振轉(zhuǎn)換器（例如分析的 LLC）能夠在超過 600kHz 的高開關(guān)頻率下運(yùn)行。然后可以使用使用高頻磁性材料的較小磁芯來增加功率密度。此外，借助3-D PCB結(jié)構(gòu)以及組合數(shù)字控制解決方案，原型展示了完整的400V DC-19VDC設(shè)計(jì)，功率密度為63W/inch3，其峰值效率達(dá)到了96.1%。
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