| 基于GaN的高頻LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)考量 |
| 日期：2020/10/10 14:16:59 作者： |
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本文針對(duì)高頻LLC諧振拓?fù)鋵⒌墸℅aN）功率器件與硅基超結(jié) MOSFET（Si SJMOS）和碳化硅MOSFET（SiC MOS）進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估了GaN功率器件在性能上的優(yōu)勢(shì)。文章首先比較了實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度LLC諧振變換器的關(guān)鍵器件參數(shù)。然后，對(duì)基于GaN、Si和SiC的3KW LLC的損耗和效率進(jìn)行分析，最后定量得出結(jié)論：基于GaN的LLC具有明顯性能優(yōu)勢(shì)，GaN功率器件對(duì)于實(shí)現(xiàn)高密度和高效率LLC諧振變換器具有重要的價(jià)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(shì)，高頻LLC諧振變換器是工業(yè)隔離DC/DC拓?fù)涞臉O佳解決方案，例如筆記本適配器（>75W），1-3KW數(shù)據(jù)中心電源和車載充電器（OBC）等。以半橋LLC諧振變換器拓?fù)潆娐窞槔溟_關(guān)頻率分別為100KHz和500KHz。
在500KHz頻率條件下，無(wú)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(quán)衡效率和功率密度。 當(dāng)前，GaN功率器件技術(shù)已在市場(chǎng)上確立了成熟的地位和強(qiáng)勁的未來(lái)發(fā)展勢(shì)頭，盡管在硬開關(guān)應(yīng)用中使用GaN可以顯著提高效率，但在軟開關(guān)拓?fù)渲型ǔＱ芯繉?duì)比較少，文章將對(duì)基于 GaN功率器件的LLC諧振軟開關(guān)變換器進(jìn)行研究，表明在軟開關(guān)拓?fù)渲校ɡ鏛LC拓?fù)洌�，GaN功率器件同樣具有更高效率和更高功率密度的顯著優(yōu)勢(shì)。文章討論了GaN、Si SJMOS和SiCMOS三種主要功率器件，進(jìn)行了器件選型和比較分析�？剂苛酥T如時(shí)間相關(guān)的輸出有效電容Co（tr）和關(guān)斷能量Eoff等重要參數(shù)，這些參數(shù)將會(huì)影響LLC變換器的高性能實(shí)現(xiàn)。文章還對(duì)基于GaN、Si和SiC MOS的3KW 48V輸出LLC變換器進(jìn)行了研究，以進(jìn)行效率和功率密度對(duì)比。
功率器件選型
由于工作在諧振狀態(tài)，LLC拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)整個(gè)工作范圍內(nèi)的軟開關(guān)導(dǎo)通，以達(dá)到降低器件開關(guān)損耗和磁件損耗的目的，具有高效和低電磁干擾等性能優(yōu)勢(shì)。LLC初級(jí)側(cè)電流ILr由次級(jí)側(cè)折算電流和勵(lì)磁電流ILm的疊加組成。
其中，勵(lì)磁電流ILm本身不會(huì)傳遞能量至輸出，其作用是利用勵(lì)磁能量釋放功率器件寄生輸出電容能量，從而實(shí)現(xiàn)器件的零電壓導(dǎo)通（ZVS），達(dá)到零損耗開通的目的。一方面，為了實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通，應(yīng)該在每個(gè)死區(qū)時(shí)間內(nèi)使用足夠的勵(lì)磁電流將功率器件的寄生輸出電容完全放電，實(shí)現(xiàn)ZVS。另一方面，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，勵(lì)磁電流將在初級(jí)線圈產(chǎn)生額外的循環(huán)通態(tài)損耗。因此，最小化勵(lì)磁電流以滿足ZVS 條件是優(yōu)化LLC變換器設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。
在給定的漏源極的放電時(shí)間和相同死區(qū)時(shí)間下，Co（tr）的值越低，實(shí)現(xiàn)ZVS條件所需的勵(lì)磁電流就越少，可設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電感值Lm就越高，從而降低了初級(jí)側(cè)的循環(huán)通態(tài)損耗。同時(shí)，對(duì)于給定的勵(lì)磁電感 Lm和死區(qū)時(shí)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(guān)頻率fs以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。
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