基于GaN的反激拓撲提高USB Type-C充電器的效率

對更小、更緊湊、更高效的旅行適配器不斷增長的需求促使最近的研究活動轉(zhuǎn)向開發(fā)高效和高功率密度的充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)出色的熱管理并保持較低的外殼溫度。對電池快充解決方案的快速發(fā)展貢獻最大的公司之一是泰戈爾科技。

Tagore 成立于 2011 年 1 月，在伊利諾伊州阿靈頓海茨和印度加爾各答設(shè)有設(shè)計中心，是一家無晶圓廠半導(dǎo)體公司，開創(chuàng)了用于射頻 (RF) 和電源管理應(yīng)用。公司研發(fā)團隊專注于開發(fā)基于寬帶隙材料的解決方案，能夠應(yīng)對射頻和電源設(shè)計挑戰(zhàn)，加快各種應(yīng)用的上市時間。

這篇文章是基于與Amitava達斯博士接受記者采訪時泰戈爾科技首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人，并呈現(xiàn)在2021 IEEE應(yīng)用電力通過Saikat戴伊，瑪尼布尚雷，Harshit瑞里，拉杰什戈什，泰戈爾的馬尼什·沙阿電子會議和博覽會 (APEC)，是應(yīng)用電子領(lǐng)域最相關(guān)的活動，幾乎于 2021 年 6 月 14 日至 17 日期間舉行。

反激式拓撲比較

活動期間，泰戈爾比較了兩種反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲：準諧振反激 (QRF) 和有源鉗位反激 (ACF) 拓撲，適用于基于 GaN 的 65W USB Type-C 充電器應(yīng)用。對于功率低于 100 W 的充電器應(yīng)用和電源適配器，最流行的拓撲是基于 Si MOSFET 的單開關(guān) QRF，它實現(xiàn)了低于 90% 至 91% 的系統(tǒng)效率，低于 10 W/in 的功率密度。³（因為它受到無源鉗位緩沖器損耗的影響）和硬開關(guān)損耗（尤其是在 150 kHz 以上的開關(guān)頻率下）并且需要龐大的熱管理來散熱。可以通過兩種可能的解決方案來解決此問題。

第一個涉及采用基于 GaN 的 ACF 拓撲，它可以在沒有任何振鈴的情況下鉗位初級開關(guān)電壓，并將變壓器泄漏能量回收到輸出，而沒有任何緩沖器損耗。該解決方案可以在更高的開關(guān)頻率下運行，同時提供比傳統(tǒng)反激式適配器更高的效率和更高的功率密度。但是，這種設(shè)計需要負電流來開啟主開關(guān)的 ZVS，這會增加初級 RMS 電流，從而導(dǎo)致變壓器和開關(guān)處的傳導(dǎo)損耗以及變壓器中的磁芯損耗更高。

第二種解決方案是基于 GaN 的 QRF 拓撲，與基于 GaN 的 ACF 設(shè)計相比，這是一種低成本的解決方案，特別適用于 200 kHz 以下的操作，因為在較高的開關(guān)頻率下，開關(guān)損耗和緩沖器損耗成為主導(dǎo).

“在我們的工作中，我們在相同體積下使用 QRF 和 ACF 拓撲設(shè)計了兩個這樣的 65W USB PD 充電器，并通過實驗比較了它們的性能，并從理論上計算了這些設(shè)計中的功率損耗分布，”Das 說。

QRF拓撲

具有同步整流的 QRF，如圖 1 所示，是一種非連續(xù)電流模式或過渡模式反激式，具有谷值開關(guān)導(dǎo)通，以最大限度地減少開關(guān)導(dǎo)通損耗。RCD 電路鉗位V _SW節(jié)點電壓，保護初級開關(guān)晶體管S ₁不超過其擊穿電壓，同時耗散存儲在L _{K 中的}泄漏能量。當次級電流下降到零時，存儲在開關(guān)節(jié)點寄生電容 (C _sw ) 中的能量將與初級電感 (L _m + L _k )形成諧振回路，諧振頻率為：

QRF 控制器將在該諧振周期的第一個谷值瞬間開啟初級 FET，以便在開啟事件期間在_{S1 上}有最小電壓，從而導(dǎo)致最小開關(guān)損耗。該轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率 (F _sw ) 和峰值磁化電流 (I _p ) 取決于輸入工作電壓 V _in和負載 P _in。

圖 1：QRF 拓撲

總開關(guān)周期 T _sw可以計算為：

其中 n 是反激耦合電感的初級與次級匝數(shù)比；V _in是整流后的交流線路的平均輸入直流母線電壓；V ₀為轉(zhuǎn)換器輸出直流電壓。

DCM 反激輸入功率關(guān)系為：

從 (3)代入 (2) 中的T _sw可以得到初級峰值電流的解：

然后根據(jù) (3) 確定開關(guān)頻率，該頻率隨著輸入電壓的增加和負載的減少而增加。

“I _p和 F _sw隨為我們的 65 W 充電器設(shè)計的 QRF 轉(zhuǎn)換器輸出功率的變化清楚地表明，在較輕的負載條件下，F(xiàn) _sw以拋物線性質(zhì)增加，而 I _p在固定輸入電壓下線性降低，”達斯說。

如果增加開關(guān)波谷的階數(shù)（即，如果_S1在第二個波谷瞬間而不是第一個波谷開啟），F(xiàn) _sw將以增加的I _p電流為代價降低。

“在我們設(shè)計的 65-W QRF 轉(zhuǎn)換器中，控制器負責谷值切換的轉(zhuǎn)變，以保持最佳的系統(tǒng)效率，”Das 說。

ACF拓撲

該轉(zhuǎn)換器（如圖 2 所示）是 QRF 的改進版本，具有連續(xù)電流傳導(dǎo)功能。

ACF 轉(zhuǎn)換器的輸入功率可計算為：

其中，I _m+是流經(jīng) L _m的磁化電流的正峰值，L _m-是負峰值，負責 S ₁的 ZVS 導(dǎo)通，可以寫成：

其中 C _sw是總開關(guān)節(jié)點電容；n 是反激耦合電感的初級與次級匝數(shù)比；V _in是整流輸入交流線路的平均輸入直流母線電壓；V _out為轉(zhuǎn)換器輸出直流電壓。?

圖 2：ACF 拓撲

在 ACF 轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)頻率和正峰值磁化電流的變化與 QRF 類似，但 F _sw和 I _{m+ 的}關(guān)系略有不同。開關(guān)周期可以表示為：

T _m-是 L _m和 C _sw之間諧振時間周期的四分之一，而 V _sw節(jié)點達到 0 V，可以寫為：

?使用（5）和（7），我們可以推導(dǎo)出F _sw和I _m+與轉(zhuǎn)換器輸出功率（P _out）的關(guān)系。

比較結(jié)果

對于 20V 輸出和 115V 交流輸入的轉(zhuǎn)換器，已經(jīng)獲得了整個負載范圍內(nèi)的總功率損耗和測得的效率，如圖 3 所示。

圖 3 中顯示的比較效率表明，在高達 45W 的輸出功率時，QRF 比 ACF 更有效，超過該功率時，ACF 充電器的效率占主導(dǎo)地位。

從 115 VAC 輸入的損耗分析數(shù)據(jù)來看，在最高負載條件下，ACF 轉(zhuǎn)換器因其眾所周知的優(yōu)勢而具有更高的效率，但隨著輕負載條件下F _{sw 的}增加，QRF 提供了更高的效率。

圖 3：不同負載下的效率

“為了驗證估計的效率數(shù)據(jù)，我們設(shè)計并制造了兩個 65W USB PD 適配器原型，用于使用 QRF 和 ACF 拓撲進行測試，實現(xiàn)了大約 35 W/in 的功率密度。每種情況下^{3 個}，”達斯說。

兩個轉(zhuǎn)換器（圖 4）均基于來自泰戈爾科技的 650V e-mode GaN 功率 IC TP44400NM，其 R _DS(on)為 360 mΩ。最近，泰戈爾推出了 TP44200NM，這是一款具有集成驅(qū)動器 IC 的 650V GaN 功率 FET，采用緊湊的 22 引腳、5 × 7 毫米 QFN 封裝。新器件提供180 mΩ 的低 R _DS(on)和快速開關(guān)，以小尺寸提供高效、低成本的電源解決方案，適用于需要高功率密度的各種應(yīng)用，包括 USB-PD 充電器、服務(wù)器和電信AC/DC 電源和功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器。