GaN實現下一代高頻電路

提高功率密度的關鍵是提高開關頻率，以最大限度地減少無源元件，例如變壓器、EMI 濾波器、大容量電容器和輸出電容器，同時保持或提高效率。自 1996 年以來，學術界已經提出了諸如有源鉗位反激 (ACF) 之類的高速拓撲結構1，但由于硅的開關（Q GD、T rr、C OSS）性能不佳而受挫，2更不用說復雜性和系統成本。

氮化鎵 (GaN) 3是一種“寬帶隙”材料，因為它提供比硅大 3 倍的電子帶隙，這意味著 GaN 可以處理 10 倍強的電場，并以非常小的芯片提供高功率。借助更小的晶體管和更短的電流路徑，實現了超低電阻 (R DS(on) ) 和電容 (Q GD、C OSS、零 T rr )，從而使開關速度提高了 100 倍。為了提供符合 GaN 承諾的實際性能，GaN 電源 IC 4單片集成了 GaN 電源 (FET) 和驅動器，以高速控制和保護 GaN 電源開關。

提出了三種新拓撲：50-W 脈沖 ACF、300-W CrCM 圖騰柱 PFC 和 1-kW 半橋 LLC。

脈沖 ACF：電解大容量電容器消除

多年來，大容量電容器的減少——或完全去除——一直是一種難以捉摸的拓撲結構，幾乎沒有成功。大容量電容器額定值 (μF) 由所需的輸出功率、交流線路電壓和交流線路頻率決定。額定值是在每個 AC 線路周期為電容器充電和放電以提供必要的輸出功率之間的平衡行為，同時保持提供恒定 DC 輸出電壓所需的最小 DC 保持電壓水平 (~400 V)。增加電源轉換級本身的開關頻率對大容量電容器的尺寸沒有影響，因此它不會受益于我們使用磁性元件獲得的相同頻率到尺寸的減小。即使開關頻率增加到足夠高，使磁性縮小到基于 PCB 的“空氣芯”，

但是，如果我們將轉換器的輸出要求從嚴格調節的直流電壓更改為整流的交流電壓，那么我們就可以改變游戲規則。通過脈沖輸出，我們可以得到一個經過整流的交流大容量電容器電壓，這使得大容量電容器的電容值大大降低，直流母線電壓可以直接跟隨整流后的交流線電壓。對于智能手機快速充電器，脈沖電流是可以接受的，特別是如果手機的電池充電算法稍作修改以接受脈沖電壓波形。

為了達到新的脈沖輸出電壓要求，ACF 拓撲可以有效地將整流后的交流總線電壓轉換為脈沖直流輸出電壓。傳統的 QR 反激式簡單且成本低，但在高壓條件下是“硬開關”。諧振 LLC 拓撲可在整個負載范圍內提供 ZVS 操作，但取決于有限范圍的直流總線電壓。通過在整個線路和寬負載和電壓范圍內實現 ZVS 操作，ACF 拓撲提供了兩全其美的優勢。與傳統的 QR 反激式相比，ACF 拓撲包括一個額外的高側開關和電容器，用于在死區時間內將開關節點電壓 (V SW ) 轉換到相反的電源軌并實現 ZVS。使用 GaN 功率 IC 的兆赫 ACF 在 2016 年進行了學術演示5自 2018 年推出 TI 的 UCC2878x ACF PWM 控制器以來，可用于行業。GaN 可實現高頻 ACF 操作，并顯著減小變壓器的尺寸；例如，從 50 kHz 的 22 毫米高 RM10 線軸變壓器到 500 kHz 的 8 毫米薄 EI25 平面變壓器，如圖 1 所示。

圖 1：高頻如何驅動更小的無源元件，50-W 快速充電器示例：~100-kHz 傳統骨架（22 毫米高）（左）和~500-kHz 平面變壓器（8 毫米）（右）

通過增加頻率和脈沖操作（消除大容量電容器）來減小尺寸，導致 Oppo 在 2020 年推出了基于 GaN 功率 IC 的超薄 50W“Cookie”快速充電器。這是將 GaN 與某些新穎的系統分區，以減少轉換器的大小和配置文件，并最終創造一種全新的、獨特的、開箱即用的用戶體驗。

高頻 PFC，無電橋

用于中等功率（100 至 500 W）應用的傳統 PFC 拓撲包括一個輸入橋式整流器，然后是一個傳統的升壓轉換器。當升壓開關以給定的開關頻率開啟和關閉時，開關開啟和關閉時間受到控制，使得交流線路輸入電流的形狀和相位與交流線路電壓相同，并且直流總線輸出電壓保持在一個恒定的水平。在 90V交流輸入和滿載條件下，該電路可達到約 96% 的效率。升壓轉換器本身可以變得非常高效，但交流輸入橋損耗非常高，導致嚴重的熱極端和整體效率低下。

進入“無橋圖騰柱”PFC 拓撲。

在帶有標準 AC 整流器的傳統 PFC 電路中，在任何時間點，輸入橋的兩個二極管始終導通，并產生超過 PFC 電路總損耗的 50%。在過去的幾十年里，人們對許多無橋 PFC 電路進行了研究，試圖消除輸入橋式整流器并提高系統效率，但很少有人將其走出實驗室并進入主流市場，這主要是由于更高的復雜性和成本。這些拓撲包括經典的無橋、半無橋、雙向無橋和無橋圖騰柱。這些拓撲中的每一種都有自己的優缺點，但它們都不是完美的解決方案。雖然已經為多千瓦數據中心 SMPS 實施了基于微控制器的設計，

圖 2：300-W CrCM 圖騰柱 PFC 原理圖和效率數據

隨著 2021 年新控制器的出現，高頻 CrCM 無橋圖騰柱由于低 EMI 以及簡化的控制器電壓和電流感應而成為一種流行的拓撲結構。開關速度最多可提高 10 倍，從固定頻率 50-kHz CCM 到 CrCM 圖騰柱操作的 200-500 kHz，而 GaN 的低輸出電容 (C OSS ) 可提供涼爽、高效的結果。

高頻 DC/DC：6 倍于 GaN 的功率

對于 100 至 3,000 W 功率范圍內的固定輸出電壓轉換器，下游 DC/DC 轉換器選擇通常是具有 ~400V直流輸入的 LLC 諧振級。400-V 總線可以來自封閉式 AC/DC SMPS 內的上游 PFC 級，也可以是 HVDC 安裝中的主要配電軌。

LLC 拓撲具有多項優勢，包括 ZVS 操作、高效率和高功率密度，ZVS 操作使該轉換器成為使用高速動力系統提高開關頻率和減小磁性元件尺寸的理想平臺。

在行業標準 (DOSA) 四分之一磚外形規格中，一流的基于硅的設計達到 150 W。額定功率最多可增加 6 倍至 1 kW。