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  高功率密度是GaN HEMT广泛应用于如笔记本电脑适配器、平板电视和一体机台式机等低功耗消费类产品的一个主要切入点。LLC谐振变换拓扑结构能够有效提高工作效率,尤其适用于开关损耗比导通损耗更占主导地位的高输入电压的应用。串联/并联电感通常采用漏磁电感和磁化电感的型式集成到变压器中,进而减少元件数量。本文致力于寻求基于GaN HEMT的高功率密度、高效率DC-DC LLC解决方案。
 
GaN HEMT在高频软开关LLC应用中的工作性能
  与Si MOSFET相比,GaN HEMT具有显著降低的栅极电荷(Qg)和输出电容(Coss),能够有效降低驱动损耗并缩短导通/关断周期。因此,GaN HEMT在LLC谐振变换器等高频软开关谐振拓扑应用中具有明显优于Si MOSFET的性能。
 
  为了进一步了解GaN在高频软开关谐振变换器中的潜在优势,我们将GaN HEMT与传统Si MOSFET的关键参数进行了比较,在这里选择了GaN Systems GS55504B以及与其具有相近RDS(ON)值的有源Si MOSFET(IPx65R110CFD和IPP60R105CFD7)进行比较,表1中给出了3者的VDS、RDS(ON)、QG、CO (ER) 及 CO (TR)等关键参数对比。
QG、COSS等关键参数对比  
表1 QG、COSS等关键参数对比
 
A. GaN HEMT的Qg性能优势
  如图1所示,与IPx65R110CFD相比,GS55504B的栅极电荷(Qg)显著降低,进而降低驱动损耗。图2给出了器件在不同开关频率下栅极驱动损耗的比较,可以看出随着开关频率的增加,两种器件之间的损耗差异显著增加,从而验证了GaN HEMT在高开关频率下的性能优势。
Qg对比  
图1 Qg对比
栅极驱动损耗对比  
图2 栅极驱动损耗对比
 
B. GaN HEMT的Coss性能优势
  Si MOSFET的Coss在低电压下呈现为高度非线性。图3和图4分别比较了GaN HEMT和Si MOSFET的Coss与Coss能量,可以看出GaN HEMT具有显著降低的Coss及Coss能量,能够有效缩短导通/关断时间。GaN HEMT的这个特性允许其实现死区时间更短和开关频率更高的运行,如图5所示。
Coss对比  
图3 Coss对比
Coss能量对比  
图4 Coss能量对比
Coss在关断时的充电时间对比  
图5 Coss在关断时的充电时间对比
 
C. GaN在LLC谐振变换应用中的性能优势
  图6为基于GaN HEMT的半桥LLC变换器设计原理图。对于工作在低于谐振区域及谐振点的LLC谐振变换器而言,初级侧半桥开关S1和S2总是能够安全地开通而不会产生开关损耗(零电压开关)。功率开关器件产生的总损耗由3部分组成:1)栅极驱动损耗(由Qg决定);2)导通损耗(取决于RDS(ON));3)关断损耗(由Coss决定)。GS55504B拥有前面分析得出的GaN HEMT应用于高频软开关频率LLC变换器时优于Si MOSFET的3个优点。
基于GaN 的半桥LLC变换器  
图6 基于GaN 的半桥LLC变换器
 
  如表2所示,LLC变换器的设计规格采用了在两级适配器系统应用中的主流参数,其中LLC谐振回路主要参数如表3中所示。
LLC变换器设计指标
 
用于高功率密度LLC谐振变换器的3-D PCB结构解决方案
A. 3-D结构概念
  为了进一步提高基于GaN HEMT的LLC变换器样机功率密度,在这里应用了“3-D PCB”结构概念,其中所有有源开关器件、功率二极管和MCU等都安装在PCB子卡上。
 
B、具体实施
  整个LLC系统的PCB设计由以下4部分组成:
1) PCB板#1
  初级侧半桥电路子卡的具体尺寸为32 mm×19 mm,该子卡带有2个GaN HEMT(GS66504B)及其自举驱动电路。由于GS66504B是底部散热器件,因此在PCB底部安装了一个17 mm×17 mm的方形散热器用于GS66504B的冷却散热。
初级侧半桥电路子卡PCB布局(上图)及实物照片(下图)  
图7 初级侧半桥电路子卡PCB布局(上图)及实物照片(下图)
 
2) PCB板#2
  带有外围电路的初级侧数字控制子卡尺寸为26 mm×20 mm,该部分采用数字控制解决方案,将输出电压调节、OVP和OCP等功能集成到低成本MCU(Microchip DSPIC33FJ06GS202A)中。
初级侧数字控制子卡PCB布局(上图)与实物照片(下图)  
图8 初级侧数字控制子卡PCB布局(上图)与实物照片(下图)
 
3) PCB板#3
  次级侧同步整流电路子卡尺寸为20 mm×17 mm,所有元器件均仅在顶侧焊接,在PCB底部安装了一个20 mm×20 mm的方形散热器用于4个同步整流用MOSFET(2×2并联)的冷却散热。
次级侧同步整流电路子卡PCB布局(上图)与实物照片(下图)   
图9 次级侧同步整流电路子卡PCB布局(上图)与实物照片(下图)
 
4) PCB板#4
  图10中为带有输入电容、输出滤波器和集成变压器的尺寸为69 mm×34 mm的母板,母板上的3个插槽分别用于PCB板#1、PCB板#2及PCB板#3的插入连接。
母板PCB布局(上图)与实物照片(下图)  
图10 母板PCB布局(上图)与实物照片(下图)
 
C. LLC变换器样机及其功率密度
  完成后的LLC变换器样机及其尺寸如图11所示,其中所有散热器都连接到子卡的底部,对PCB板#1与PCB板#3上的底部散热型器件(如GS66504B)的散热非常有效。公式(1)与公式(2)中分别给出了样机体积及其功率密度的计算结果。
计算公式  
基于GaN HEMT设计的LLC谐振变换器样机  
图11 基于GaN HEMT设计的LLC谐振变换器样机
 
  高频LLC变换器样机在50%负载和满负载下运行的主要实验波形分别如图12和图13所示。
样机在50%负载下运行的实验波形  
图12  样机在50%负载下运行的实验波形(Vin=400 V、Vout=19 V、Io=5 A、Po=95 W及fs=623 kHz)
样机在100%负载下运行的实验波形  
图13  样机在100%负载下运行的实验波形(Vin=400 V、Vout=19 V、Io=10 A、Po=190 W及fs=623 kHz)
 
  如图14所示,对样机在不同负载下的运行效率进行了测试,其中这部分不包括辅助绕组的功率损耗。在50%负载(95W)下样机峰值效率达到96.1%,而在100%负载(190 W)时的效率为95.6%。
样机在不同负载下的运行效率  
图14 样机在不同负载下的运行效率(Vin=400V、Vo=19V及Io=1 A(19 W) ~10 A(190 W))
 
结论  
  相对Si MOSFET,GaN HEMT具有低Qg、低RDS(ON) 及低COSS等优异品质因数,能够使LLC等谐振变换器在600 kHz以上的高开关频率下工作,并可以采用由高频磁性材料制成的较小磁芯来增加功率密度。此外,借助3-D PCB结构以及组合式数字控制解决方案,我们实现了完整的400 VDC-19 VDC的样机系统设计,其功率密度为63 W/inch3且峰值效率达到96.1%。
 
 
作者:Yajie Qiu,GaN Systems高级电力电子应用工程师

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