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基于GaN的高频LLC谐振变换器的设计考量

日期：2020/10/10 14:16:59 作者：

本文针对高频LLC谐振拓扑将氮化镓（GaN）功率器件与硅基超结 MOSFET（Si SJMOS）和碳化硅MOSFET（SiC MOS）进行对比，评估了GaN功率器件在性能上的优势。文章首先比较了实现高效率和高功率密度LLC谐振变换器的关键器件参数。然后，对基于GaN、Si和SiC的3KW LLC的损耗和效率进行分析，最后定量得出结论：基于GaN的LLC具有明显性能优势，GaN功率器件对于实现高密度和高效率LLC谐振变换器具有重要的价值。

介绍

伴随着更高功率密度，更小尺寸和更高效率的明显趋势，高频LLC谐振变换器是工业隔离DC/DC拓扑的极佳解决方案，例如笔记本适配器（>75W），1-3KW数据中心电源和车载充电器（OBC）等。以半桥LLC谐振变换器拓扑电路为例，其开关频率分别为100KHz和500KHz。

在500KHz频率条件下，无源谐振元件（变压器，谐振电感器和谐振电容器）的尺寸大大减小，提高了功率密度。然而在高频条件下，需要考虑功率器件（Q1和Q2）的选型，以权衡效率和功率密度。当前，GaN功率器件技术已在市场上确立了成熟的地位和强劲的未来发展势头，尽管在硬开关应用中使用GaN可以显着提高效率，但在软开关拓扑中通常研究对比较少，文章将对基于 GaN功率器件的LLC谐振软开关变换器进行研究，表明在软开关拓扑中（例如LLC拓扑），GaN功率器件同样具有更高效率和更高功率密度的显著优势。文章讨论了GaN、Si SJMOS和SiCMOS三种主要功率器件，进行了器件选型和比较分析。考量了诸如时间相关的输出有效电容Co（tr）和关断能量Eoff等重要参数，这些参数将会影响LLC变换器的高性能实现。文章还对基于GaN、Si和SiC MOS的3KW 48V输出LLC变换器进行了研究，以进行效率和功率密度对比。

功率器件选型

由于工作在谐振状态，LLC拓扑可实现整个工作范围内的软开关导通，以达到降低器件开关损耗和磁件损耗的目的，具有高效和低电磁干扰等性能优势。LLC初级侧电流ILr由次级侧折算电流和励磁电流ILm的叠加组成。

其中，励磁电流ILm本身不会传递能量至输出，其作用是利用励磁能量释放功率器件寄生输出电容能量，从而实现器件的零电压导通（ZVS），达到零损耗开通的目的。一方面，为了实现ZVS导通，应该在每个死区时间内使用足够的励磁电流将功率器件的寄生输出电容完全放电，实现ZVS。另一方面，在死区时间内，励磁电流将在初级线圈产生额外的循环通态损耗。因此，最小化励磁电流以满足ZVS 条件是优化LLC变换器设计的重要目标。

在给定的漏源极的放电时间和相同死区时间下，Co（tr）的值越低，实现ZVS条件所需的励磁电流就越少，可设计的励磁电感值Lm就越高，从而降低了初级侧的循环通态损耗。同时，对于给定的励磁电感 Lm和死区时间tdead，电容值Co（tr）越小，在满足ZVS前提下可以采用更高的开关频率fs以实现更高的功率密度。

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