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GaN基高频LLC谐振变换器的设计考虑

随着大功率、小型化和高效率的明显趋势,高频LLC谐振变换器是工业上隔离DC/DC拓扑的一种有吸引力的解决方案,例如笔记本适配器(>75W)、1KW-3KW数据中心电源单元(PSU)和电动汽车多千瓦车载充电器(OBC)。图1显示了半桥的拓扑结构。LLC谐振变换器开关频率分别为100 KHz和500 KHz。在较高的频率下,无源谐振槽(如变压器、谐振电感和谐振电容)的尺寸明显减小,从而提高了功率密度。

此外,需要考虑功率晶体管(Q1和Q2)的选择,以权衡效率和功率密度。GaN功率晶体管已在市场上确立为一种经过验证的晶体管技术,但在软开关应用中往往不被考虑。虽然在硬开关应用中使用GaN显着地提高了效率,但软开关变换器(如LLC)的效率和频率的提高也同样显著。

 

The Half bridge LLC resonant converter at 100KHz and 500KHz
图1:100 KHz和500 KHz的半桥LLC谐振变换器

 

本文讨论了在软开关LLC谐振变换器中,商用GaN功率晶体管与Si SJMOS和SiCMOS晶体管相比的优点。对晶体管的选择和比较进行了分析。考虑了晶体管的时间相关输出有效电容(Co(TR))和关断能(EOFF)等参数,影响了LLC变换器的高性能。对一种基于GaN、Si和SiCMOS的3KW 48V输出LLC变换器进行了效率和功率密度比较分析。

 

一次晶体管选择

LLC有几个好处,因为它的全部谐振行为,允许软开关开启在整个范围内,这在本质上有助于最大限度地减少在功率晶体管和磁性元件的损失。在图2中,LLC一次侧电流ILR由二次侧电流的叠加组成,除以变压器匝比n和磁化电流ILM。磁化电流不传递到输出端,而是需要放电晶体管的寄生输出电容以及变压器绕组内电容和绕组间电容的组合,从而实现零电压开关(ZVS),从而实现晶体管的零电压开关(ZVS),而不需要开关损耗。一方面,为了实现开关管的零电压开关,晶体管的寄生输出电容应在每个死区充分利用此磁化电流来放电。另一方面,在死区期间,磁化电流会对初级电源造成额外的循环损耗。因此,最小化磁化电流是改进LLC变换器的一个目标。

 

The primary current and voltage waveform for the half bridge LLC resonant converter
图2:半桥LLC谐振变换器的一次电流和电压波形

 

半桥有限责任公司ZVS实现条件的最小死时间可由方程(1)导出.这里,LM是主变压器的磁化电感,fs是开关频率。从方程(1)出发,晶体管参数Co(Tr)是高效率、高密度LLC变换器的关键参数,它描述了漏极被动过渡到源电压所需的输出电容。有效Co(TR)值越低,给定的漏极到电源过渡时间所需的充磁电流就越少,这使得变压器的磁化电感值越高,死区时间越短,从而降低了一次侧的循环损耗。同时,对于给定的LM和TGER,有效Co(Tr)值越低,开关频率fs越高,ZVS条件下可以得到更高的密度。

tdeadmin=16Co(tr)Lmfs

这种有效电容Co(Tr)可通过输出电荷Qoss由输出电容Coss导出,其关系式为QOSS=∫0 VDS Coss(V)dV和Co(Tr)=Co(Tr)/V。对于从400 V到0V的VDS电压转变,Si SJMOS的Co(Tr)通常是GaN的10倍,SiC的Co(Tr)比GaN高50%。

 

Qoss Vs Vds curves with different transistors (GaN, Si, and SiC)
图3:不同晶体管(GaN、Si和SiC)的Qoss VS VDS曲线

 

LLC的另一个重要的晶体管参数是Qgd,它描述了栅漏开关和开关关闭时间截止所需的电荷。这两个参数给出了关断能力和损耗的指示,从而达到了最大的工作频率和效率。关断时间截止通常不显示在晶体管数据表,但可以根据参考书[1]在给定的开关电压和电流条件下估计。

不完全体二极管反向恢复是Si和SiCMOSFET面临的挑战之一。除了过载或启动期间的电容负载外,LLC[2]功率MOSFET的不完全体二极管反向恢复可能会引起系统可靠性问题。现有的体二极管反向恢复电荷Qrr会产生较高的dv/dt,大的穿通电流将流过桥接晶体管,这可能导致MOSFET击穿。因此,Qrr参数是验证硬换相失效模式风险的关键参数,因此Qrr越低越好,以避免失效。

表1总结了GaN、Si和SiC物理材料的三种晶体管类型参数。对于SiSJMOS,选择了最新的具有本征快体二极管的硅基MOSFET.GaN和SiC是最新一代。带隙晶体管更适合于高效率、高密度的功率转换.如表所示,与Si和SiC相比,具有相似RDS(ON)的GaN功率晶体管对LLC关键参数有很大的好处。当Co(Tr)、Qgd、Tf和QG值较低时,设计的LLC变换器具有较好的效率和功率密度。另外,GaN功率晶体管具有在没有本征双极体二极管的AlGaN/GaN异质结上形成的横向二维电子气(2 DEG)通道。无体二极管意味着没有Qrr,这意味着由于MOSFET体二极管的存在,没有上述硬雪崩操作。

 

运营与损失分析

图4给出了半桥LLC谐振变换器的稳态周期.以下是主要的五种状态,每一种状态都附有相应的损失分析:

  1. 在状态1时,当高侧驱动信号VGSH降低时,主侧磁化电流ILM在死区期间开始放电低端晶体管的输出电容。

  2. 在状态2时,寄生输出电容完全放电,GaN功率晶体管通过2 DEG沟道从源到漏在第3象限工作。对于Si和SiC MOSFET,存在一个固有的双极体二极管,当栅极的沟道关闭时,体二极管将从源电流传导到漏极。在这种状态下,由于磁化电流的存在,一次侧存在循环反向导通损耗。这种反向导电损耗在很大程度上取决于Co(Tr)的值。较低的Co(Tr)导致了较短的死时间,而较低的磁化电流则导致了较低的反向导电损耗。

  3. 在状态3时,当驱动信号VGSL较高时,晶体管实现ZVS,并且没有开关开关损耗。

  4. 在状态4时,晶体管以从漏极到源的正向电流打开。在此状态下存在一个导通损耗,这与晶体管的导通电阻RDS(ON)有关。

  5. 在状态5时,驱动信号VGSL降低,晶体管的通道被硬开关关闭。由于峰值磁化电流ILM_PK,存在电流和电压交叉开关损耗。这一损耗取决于晶体管的特性,栅漏电荷Qgd和关闭时间截止。

图4中没有提到的另一个损耗是栅驱动损耗,它相对于晶体管的栅电荷QG。较低的QG导致较低的栅极驱动损耗,特别是在高开关频率的情况下。此栅极驱动损耗不可忽略。

 

The LLC resonant converter’s operation and loss breakdown for a steady state cycle
图4:LLC谐振变换器的稳态工作和损耗击穿

 

3KW LLC谐振变换器

根据上述损耗分析,可以对不同的初级晶体管和不同的开关频率进行比较,以评估效率和功率密度的性能。A3KW半桥有限责任公司设计了输出为48V的谐振变换器,并将其性能与两种类似情况进行了比较:一种是三种晶体管都工作在500 KHz谐振频率,另一种是500 KHz GaN基LLC与100 KHz Si基LLC。初级晶体管为GaN、Si或SiC。主电路上的每个开关实现两个晶体管器件,与表1并行。

 

The loss and efficiency of a 3KW 500kHz LLC resonant converter with GaN versus Si and SiC

The loss and efficiency of a 3KW 500kHz LLC resonant converter with GaN versus Si and SiC

图5:GaN对Si和SiC的3KW 500 kHz LLC谐振变换器的损耗和效率

 

图5显示了所有晶体管都在500 KHz的3KW半桥LLC的效率和损耗数据。在500 KHz时,变压器、电感和SR晶体管等其它元件的损耗击穿应相同,关键损耗差来自初级侧晶体管。虽然LLC变换器可以实现零电压开关电源,但当开关频率增加到500 KHz时,开关损耗仍然存在。这些关机损失不容忽视.与GaN相比,Si和SiC的主要损耗是开关损耗,Si的开关损耗是GaN的6倍,SiC的开关损耗是GaN的4倍。另外,与Si和SiC相比,GaN基LLC具有更小的驱动损耗.结果表明,GaN基LLC的总损耗比SiC低20%左右,总损耗比Si低37%左右。最终,基于GaN的LLC实现了高效率,这种效率的提高提供了满足或超过最新工业系统要求的增量性能,例如,用于电信AC/DC PSU的80PLUS钛。

 

The 3KW loss and efficiency of a 500kHz GaN-based LLC and a 100KHz Si-based LLC

The 3KW loss and efficiency of a 500kHz GaN-based LLC and a 100KHz Si-based LLC

图6:500 kHz GaN基LLC和100 KHz Si基LLC的3KW损耗和效率

 

图6显示了500 kHz GaN基LLC与100 kHz Si基LLC的其它3KW的比较。在此示例中,效率保持不变,为97.9%,以研究对功率密度的影响。如图6所示,在500 KHz的GaN基LLC中,与100 KHz的Si基LLC相比,谐振腔的体积相对减少了64%。总之,对于3KW的LLC变换器,500 kHz的GaN基溶液的体积比Si基的要小2.2倍。

 

结语

对LLC谐振变换器的实例研究表明,GaN功率晶体管具有明显的性能优势。从效率和功率密度的角度来看,Co(Tr)最低的GaN功率晶体管、Qgd、TOM和QG是LLC拓扑的最佳选择。此外,由于缺少GaN和零Qrr的本体二极管,使系统更加可靠,避免了硬换相失效的破坏。总之,与Si和SiC晶体管相比,GaN在效率和功率密度方面具有更高的应用价值。


(责任编辑:ioter)

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