本文针对高频 LLC 谐振拓扑将氮化镓(GaN)功率器件与硅基超结 MOSFET(Si SJMOS)和碳化硅 MOSFET(SiC MOS)进行对比,评估了 GaN 功率器件在性能上的优势。文章首先比较了实现高效率和高功率密度 LLC 谐振变换器的关键器件参数。然后,对基于 GaN,Si 和 SiC 的 3KW LLC 的损耗和效率进行分析,最后定量得出结论:基于 GaN 的 LLC 具有明显性能优势, GaN 功率器件对于实现高密度和高效率 LLC谐振变换器具有重要的价值。

作者:加拿大 氮化镓系统 (GaN Systems), 刘学超

介绍

图 1:工作在 100KHz 或 500KHz 频率下的半桥 LLC 谐振变换器

伴随着更高功率密度,更小尺寸和更高效率的明显趋势,高频 LLC 谐振变换器是工业隔离 DC / DC 拓扑的极佳解决方案,例如笔记本适配器(> 75W),1KW-3KW 数据中心电源和车载充电器(OBC)等。图 1 以半桥 LLC 谐振变换器拓扑电路为例,其开关频率分别为 100KHz 和 500KHz。在 500KHz 频率条件下,无源谐振元件(变压器,谐振电感器和谐振电容器)的尺寸大大减小,提高了功率密度。然而在高频条件下,需要考虑功率器件(Q1 和 Q2)的选型,以权衡效率和功率密度。 当前,GaN 功率器件技术已在市场上确立了成熟的地位和强劲的未来发展势头,尽管在硬开关应用中使用 GaN 可以显着提高效率,但在软开关拓扑中通常研究对比较少,文章将对基于 GaN功率器件的 LLC 谐振软开关变换器进行研究,表明在软开关拓扑中(例如 LLC 拓扑),GaN 功率器件同样具有更高效率和更高功率密度的显著优势。文章讨论了 GaN、Si SJMOS 和 SiCMOS 三种主要功率器件,进行了器件选型和比较分析。考量了诸如时间相关的输出有效电容 Co(tr) 和关断能量 Eoff 等重要参数,这些参数将会影响 LLC 变换器的高性能实现。文章还对基于 GaN,Si 和 SiC MOS 的 3KW 48V 输出 LLC 变换器进行了研究,以进行效率和功率密度对比。

功率器件选型

由于工作在谐振状态,LLC 拓扑可实现整个工作范围内的软开关导通,以达到降低器件开关损耗和磁件损耗的目的,具有高效和低电磁干扰等性能优势。在图 2 中,LLC 初级侧电流 ILr 由次级侧折算电流和励磁电流 ILm 的叠加组成。其中,励磁电流ILm 本身不会传递能量至输出,其作用是利用励磁能量释放功率器件寄生输出电容能量,从而实现器件的零电压导通 (ZVS),达到零损耗开通的目的。一方面,为了实现 ZVS 导通,应该在每个死区时间内使用足够的励磁电流将功率器件的寄生输出电容完全放电,实现 ZVS。另一方面,在死区时间内,励磁电流将在初级线圈产生额外的循环通态损耗。因此,最小化励磁电流以满足ZVS 条件是优化 LLC 变换器设计的重要目标。

公式 (1) 是半桥 LLC 拓扑实现 ZVS 条件的最小死区时间。其中,Lm 是主变压器的励磁电感,fs 是开关频率。参数 Co(tr)为漏源极电压充放电时间等效的输出电容,它是高效和高密度LLC 变换器的关键参数。在给定的漏源极的放电时间和相同死区时间下,Co(tr) 的值越低,实现 ZVS 条件所需的励磁电流就越少,可设计的励磁电感值 Lm 就越高,从而降低了初级侧的循环通态损耗。同时,对于给定的励磁电感 Lm 和死区时间 tdead,电容值 Co(tr) 越小,在满足 ZVS 前提下可以采用更高的开关频率 fs以实现更高的功率密度。