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基于GaN的高頻LLC諧振變換器的設計考量

日期：2020/10/10 14:16:59 作者：

本文針對高頻LLC諧振拓撲將氮化鎵（GaN）功率器件與硅基超結 MOSFET（Si SJMOS）和碳化硅MOSFET（SiC MOS）進行對比，評估了GaN功率器件在性能上的優勢。文章首先比較了實現高效率和高功率密度LLC諧振變換器的關鍵器件參數。然后，對基于GaN、Si和SiC的3KW LLC的損耗和效率進行分析，最后定量得出結論：基于GaN的LLC具有明顯性能優勢，GaN功率器件對于實現高密度和高效率LLC諧振變換器具有重要的價值。

介紹

伴隨著更高功率密度，更小尺寸和更高效率的明顯趨勢，高頻LLC諧振變換器是工業隔離DC/DC拓撲的極佳解決方案，例如筆記本適配器（>75W），1-3KW數據中心電源和車載充電器（OBC）等。以半橋LLC諧振變換器拓撲電路為例，其開關頻率分別為100KHz和500KHz。

在500KHz頻率條件下，無源諧振元件（變壓器，諧振電感器和諧振電容器）的尺寸大大減小，提高了功率密度。然而在高頻條件下，需要考慮功率器件（Q1和Q2）的選型，以權衡效率和功率密度。當前，GaN功率器件技術已在市場上確立了成熟的地位和強勁的未來發展勢頭，盡管在硬開關應用中使用GaN可以顯著提高效率，但在軟開關拓撲中通常研究對比較少，文章將對基于 GaN功率器件的LLC諧振軟開關變換器進行研究，表明在軟開關拓撲中（例如LLC拓撲），GaN功率器件同樣具有更高效率和更高功率密度的顯著優勢。文章討論了GaN、Si SJMOS和SiCMOS三種主要功率器件，進行了器件選型和比較分析。考量了諸如時間相關的輸出有效電容Co（tr）和關斷能量Eoff等重要參數，這些參數將會影響LLC變換器的高性能實現。文章還對基于GaN、Si和SiC MOS的3KW 48V輸出LLC變換器進行了研究，以進行效率和功率密度對比。

功率器件選型

由于工作在諧振狀態，LLC拓撲可實現整個工作范圍內的軟開關導通，以達到降低器件開關損耗和磁件損耗的目的，具有高效和低電磁干擾等性能優勢。LLC初級側電流ILr由次級側折算電流和勵磁電流ILm的疊加組成。

其中，勵磁電流ILm本身不會傳遞能量至輸出，其作用是利用勵磁能量釋放功率器件寄生輸出電容能量，從而實現器件的零電壓導通（ZVS），達到零損耗開通的目的。一方面，為了實現ZVS導通，應該在每個死區時間內使用足夠的勵磁電流將功率器件的寄生輸出電容完全放電，實現ZVS。另一方面，在死區時間內，勵磁電流將在初級線圈產生額外的循環通態損耗。因此，最小化勵磁電流以滿足ZVS 條件是優化LLC變換器設計的重要目標。

在給定的漏源極的放電時間和相同死區時間下，Co（tr）的值越低，實現ZVS條件所需的勵磁電流就越少，可設計的勵磁電感值Lm就越高，從而降低了初級側的循環通態損耗。同時，對于給定的勵磁電感 Lm和死區時間tdead，電容值Co（tr）越小，在滿足ZVS前提下可以采用更高的開關頻率fs以實現更高的功率密度。

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