采用GaN的下一代高频电路

提高功率密度的关键是提高开关频率，以最大限度地减少无源元件，例如变压器、EMI 滤波器、大容量电容器和输出电容器，同时保持或提高效率。有源钳位反激式 (ACF) 等高速拓扑结构自 1996 年以来已由学术界提出1但因硅的较差开关 (Q GD , T rr , C OSS ) 性能而受挫2更不用说复杂性和系统成本了。

氮化镓 (GaN) 3是一种“宽带隙”材料，因为它提供的电子带隙比硅大 3 倍，这意味着 GaN 可以处理 10 倍强的电场并以小得多的芯片提供高功率。通过更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻（R DS(on)）和电容（Q GD、C OSS、零 T rr），从而使开关速度提高了 100 倍。为了提供与 GaN 承诺相匹配的实际性能，GaN 功率 IC 4单片集成了 GaN 功率 (FET) 并驱动以控制和保护高速 GaN 功率开关。

介绍了三种新拓扑：50W 脉冲 ACF、300W CrCM 图腾柱 PFC 和 1kW 半桥 LLC。

脉冲 ACF：电解大容量电容器消除

多年来，减少大容量电容器（或完全去除）一直是一个难以捉摸的拓扑结构，几乎没有成功。大容量电容器额定值 (µF) 取决于所需的输出功率、交流线路电压和交流线路频率。额定值是在每个交流线路周期对电容器充电和放电以提供必要的输出功率之间的平衡行为，同时保持提供恒定直流输出电压所需的最小直流保持电压水平 (~400 V)。提高功率转换级本身的开关频率对大容量电容器的尺寸没有影响，因此它不会从我们使用磁性元件获得的相同频率尺寸减小中受益。即使开关频率提高到足以使磁性元件缩小到基于 PCB 的“空芯，

但是，如果我们将转换器的输出要求从严格调节的直流电压更改为经过整流的交流电压，那么我们就可以改变游戏规则。通过脉冲输出，我们可以获得整流后的交流大容量电容电压，这使得大容量电容的电容值大大降低，直流母线电压可以直接跟随整流后的交流线电压。对于智能手机快速充电器，脉冲电流是可以接受的，特别是如果手机的电池充电算法稍作修改以接受脉冲电压波形。

为了实现新的脉冲输出电压要求，ACF 拓扑可以有效地将整流后的交流总线电压转换为脉冲直流输出电压。传统的 QR 反激式简单且成本低，但在高压线条件下是“硬开关”。谐振 LLC 拓扑在整个负载范围内提供 ZVS 操作，但取决于有限范围的直流总线电压。ACF 拓扑通过在整个线路和宽负载和电压范围内实现 ZVS 操作，提供了两全其美的优势。与传统的 QR 反激式相比，ACF 拓扑包括一个额外的高边开关和电容器，用于在死区时间内将开关节点电压 (V SW ) 转换到相反的电源轨并实现 ZVS。使用 GaN 功率 IC 的兆赫兹 ACF 在 2016 年进行了学术演示5自 2018 年推出 TI 的 UCC2878x ACF PWM 控制器以来，可用于工业。GaN 可实现高频 ACF 操作并显着减小变压器的尺寸；例如，从 50 kHz 的 22 毫米高 RM10 线轴变压器到 500 kHz 的 8 毫米薄 EI25 平面变压器，如图 1 所示。

图 1：高频如何驱动更小的无源元件，50-W 快速充电器示例：~100-kHz 传统线轴（22 毫米高）（左）和~500-kHz 平面变压器（8 毫米）（右）

通过增加频率和脉冲操作（消除大容量电容器）减小尺寸，导致 Oppo 在 2020 年推出了基于 GaN 功率 IC 的超薄 50W“Cookie”快速充电器。这是将 GaN 与一些新颖的系统分区以减小转换器的大小和配置文件，并最终创造出全新的、独特的开箱即用用户体验。

高频PFC，无桥接

用于中等功率（100 至 500 W）应用的传统 PFC 拓扑包括一个输入桥式整流器和一个传统升压转换器。当升压开关以给定的开关频率打开和关闭时，开关的开启和关闭时间受到控制，使得交流线路输入电流遵循与交流线路电压相同的形状和相位，并且直流总线输出电压保持在一个恒定的水平。在 90V交流输入和满载条件下，该电路可以达到约 96% 的效率。升压转换器本身可以做得非常高效，但交流输入桥的损耗非常高，导致严重的热极端和较差的整体效率。

输入“无桥图腾柱”PFC 拓扑。

在具有标准交流整流器的传统 PFC 电路中，在任何时间点，输入桥的两个二极管始终导通，并产生 > 50% 的总 PFC 电路损耗。在过去的几十年中，人们研究了许多无桥 PFC 电路，试图消除输入桥式整流器并提高系统效率，但很少有人能够走出实验室并进入主流市场，这主要是由于更高的复杂性和成本。这些拓扑包括经典无桥、半无桥、双向无桥和无桥图腾柱。这些拓扑中的每一个都有自己的优缺点，但它们都不是完美的解决方案。虽然已经为多千瓦数据中心 SMPS 实施了基于微控制器的设计，但

图 2：300W CrCM 图腾柱 PFC 原理图和效率数据

随着 2021 年新控制器的出现，高频 CrCM 无桥图腾柱由于低 EMI 以及控制器简化的电压和电流感应而成为一种流行的拓扑结构。开关速度可以提高到 10 倍，从固定频率 50kHz CCM 到 CrCM 图腾柱操作的 200–500kHz，GaN 的低输出电容 (C OSS ) 可提供凉爽、高效的结果。

高频 DC/DC： GaN 功率的 6 倍

对于 100 至 3,000W 功率范围内的固定输出电压转换器，下游 DC/DC 转换器的选择通常是具有 ~400V直流输入的 LLC 谐振级。400 V 总线可以来自封闭式 AC/DC SMPS 内的上游 PFC 级，也可以是 HVDC 安装中的主要配电轨。

LLC 拓扑具有多项优势，包括 ZVS 操作、高效率和高功率密度，并且 ZVS 操作使该转换器成为使用高速动力系统提高开关频率和减小磁体尺寸的理想平台。

在行业标准 (DOSA) 四分之一砖外形中，一流的硅基设计达到 150 W。通过使用 GaN 功率 IC 并将 DC/DC 开关频率从 275 kHz 提高到 830 kHz 3 倍，额定功率可提高 6 倍至 1 kW。

审核编辑：汤梓红