基于GaN的LLC解决方案缩小尺寸并提高效率

GaN 高电子迁移率晶体管 (GaN HEMT) 具有更低的驱动损耗和更短的死区时间电路优势，因为栅极显着减少

与硅 MOSFET 相比，GaN 高电子迁移率晶体管 (GaN HEMT) 具有更低的驱动损耗和更短的死区时间电路优势，因为栅极电荷 (Qg) 和输出电容 (Coss) 显着降低。因此，GaN HEMT 在高频软开关谐振拓扑（如 LLC 谐振转换器）中显示出优于硅 MOSFET 的显着优势。随着开关频率（fsw)，可以减小变压器铁芯尺寸。此外，采用 3-D PCB 结构来提高功率密度。精心设计了 190 瓦、400V-19V GaN Systems 基于 E-HEMT 的 LLC DC-DC 谐振转换器，并且该变压器针对工作在 600kHz 以上的高端适配器应用进行了优化。该转换器展示了功率密度超过 63W/inch3 的完整设计，包括 400V 总线电容器，峰值效率为 96%。

高功率密度是 GaN HEMT 广泛用于低功耗消费类应用（例如笔记本电脑适配器、平板电视和一体式台式计算机）的关键动机之一。

LLC 谐振转换拓扑可有效提高效率，特别是对于开关损耗比传导损耗更重要的高输入电压应用。串联和并联电感通常利用漏电感和励磁电感集成到变压器中，从而减少元件数量。本文旨在展示使用 GaN HEMT 的高功率密度和高效率 DC-DC LLC 解决方案。

表 1. QG 和 COSS 比较。

GaN HEMT 在高频软开关 LLC 应用中运行的能力

与硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 具有显着降低的栅极电荷 (Qg) 和输出电容 (Coss)，从而导致更低的驱动损耗和更短的导通/关断周期。因此，GaN HEMT 在高频软开关谐振拓扑（例如 LLC 谐振转换器）中显示出优于硅 MOSFET 的显着优势。

为了更深入地了解 GaN 在高频软开关谐振转换器中的潜在优势，我们必须将 GaN HEMT 的关键参数与传统 Si MOSFET 的关键参数进行比较。例如，选择 GaN Systems 的 GS55504B 与有源 Si MOSFET（IPx65R110CFD 和 IPP60R105CFD7）进行比较，因为它们具有相当的 RDS(ON) 值。下表显示了关键参数的比较：VDS、RDS (ON)、QG、CO (ER) 和 CO (TR)。

图 1. Qg 比较

图 2. 栅极驱动器损耗比较

A. GaN 的 Qg 优势

如图 1 所示，与 IPx65R110CFD 和 IPP60R105CFD7 相比，GS55504B 的栅极电荷 (Qg) 显着降低，从而降低了驱动损耗。图 2 显示了不同开关频率下栅极驱动器损耗的比较。两种器件之间的损耗差异随着开关频率的增加而急剧增加，证明了 GaN HEMT 在高开关频率下工作的优势。

图 3. 成本比较

图 4. 成本能量比较

图 5. 关断时的 Coss 充电时间比较。

B. GaN 的成本优势

Si MOSFET 的 Coss 在低电压下是高度非线性的。GaN HEMT 的 Coss 值具有显着降低的输出电容 (Coss) 和 Coss 能量，从而导致更短的导通/关断周期，如图 5 所示。该特性允许实现更短的死区时间和更高的开关频率操作。

C. LLC谐振转换器中的GaN优势

图 6 绘制了基于 GaN 的半桥 LLC 转换器的原理图。

图 6. 基于 GaN 的半桥 LLC 转换器。

对于在低于谐振区域和谐振点工作的 LLC 谐振转换器，初级侧半桥开关 S1 和 S2 始终安全开启，而不会产生开关损耗（零电压开关）。电源开关产生的总损耗由三部分组成：1）驱动损耗（由 Qg 决定），2）传导损耗（由 RDS(ON) 决定）和 3）关断损耗（由 Coss 决定）。经分析，当应用于高频软开关频率 LLC 转换器时，GS55504B 与 Si MOSFET 相比具有上述所有三个优点。

LLC 转换器的设计规范如表 2 所示，在两级适配器应用中非常流行。设计了LLC槽，参数如表3所示。

表 2：设计规格

表 3：LLC 谐振槽参数

高功率密度 LLC 谐振转换器的 3D PCB 结构解决方案

A. 3-D 结构概念

为了提高基于 GaN HEMT 的 LLC 原型的功率密度，还使用了“3-D PCB”概念，其中所有有源开关、功率二极管和 MCU 都组装在 PCB 子卡上。

B. 实施

整个LLC系统设计由以下四部分组成：

PCB板1

具有两个 GaN HEMT (GS66504B) 和自举驱动电路 (32mm (L) × 19mm (W)) 的初级侧半桥子卡。由于 GS66504B 是底部冷却器件，一个 17mm × 17mm 方形散热器连接到 PCB 底部以冷却两个 GaN HEMT。

图 7. 初级侧半桥子卡 PCB 布局（顶部）和图片（底部）。

PCB板2

带外围电路的初级侧数字控制器 (26mm (L) × 20mm (W))。该拓扑采用数字控制解决方案，将输出电压调节、OVP 和 OCP 功能集成到一个低成本 MCU（Microchip 的 DPIC33FJ06GS202A）中。

图 8. 初级侧数字控制器子卡 PCB 布局（顶部）和图片（底部）。

PCB板3

副边同步整流子卡（20mm（长）×17mm（宽））。所有组件都仅焊接在顶部。一个 20mm × 20mm 方形散热器连接到 PCB 的底部，以冷却四个同步整流器 MOSFET（2 × 2 并联 MOSFET）。

图 9. 次级侧同步整流子卡 PCB 布局（左）和图片（右）。

PCB板4

带有输入电容器、输出滤波器和集成变压器（69mm (L) × 34mm (W)）的主板如图 10 所示。主板上为 PCB 板 #1、PCB 板 #2 和 PCB 板 # 提供了三个插槽3 插入。

图 10. 设计的基于 GaN 的 LLC 谐振转换器原型。

C. LLC 原型及其功率密度

完成的原型及其尺寸如图 11 所示。所有散热器都连接到子卡的底部，这对 PCB 板 #1 上的底部冷却器件有效​​，例如 GaN HEMT、GS66504B和次级侧同步整流器 PCB 板 #3。

设计的高频 LLC 转换器在半载和满载下工作的关键波形如图 11 和图 12 所示。

图 11. 当 Vin=400V、Vout=19V、Io=5A Po=95W、Fs=623kHz（50% 负载）时，所提出的高功率密度 GaN HEMT LLC 转换器的关键实验波形。

测试了不同负载下的效率，如图 13 所示，不包括辅助绕组的功率损耗。峰值效率在 95W（50% 负载）时达到 96.1%，而在 190W（100% 负载）时的效率为 95.6%。

图 12. Vin=400V、Vo=19V、Io=1A (19W) 至 10A (190W) 时不同负载下的效率性能。

测试了不同负载下的效率，如图 13 所示，不包括辅助绕组的功率损耗。峰值效率在 95W（50% 负载）时达到 96.1%，而在 190W（100% 负载）时的效率为 95.6%。

GaN HEMT 提供更高的开关频率

GaN HEMT 具有卓越的品质因数（低 Qg、RDS(ON) 和 COSS），使谐振转换器（例如分析的 LLC）能够在超过 600kHz 的高开关频率下运行。然后可以使用使用高频磁性材料的较小磁芯来增加功率密度。此外，借助3-D PCB结构以及组合数字控制解决方案，原型展示了完整的400V DC-19VDC设计，功率密度为63W/inch3，其峰值效率达到了96.1%。
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