基于GaN的反激拓扑提高USB Type-C充电器的效率.docx

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1、基于GaN的反激拓扑提高USBType-C充电器的效率对更小、更紧凑、更而效的旅行适配器不断增长的需求促使最近的研究活动转向开发商效和富功率密度的充电器，能够实现出色的热管理并保持较低的外壳温度。对电池快充解决方案的快速发展贡献最大的公司之一是泰戈尔杜技。TUgore成立于2011年1月，在伊利诺伊州阿灵顿海茨和印度加尔各答设有设计中心，是一家无晶圆厂后座公司，开创了用于幽(RE)和电源管理应用。公司研发团队专注于开发基于宽带隙材料的解决方案，能够应对射频和生遮设计挑战，加快各种应用的上市时间.这篇文章是基于与EitaYa达斯博士接受记拧采访时泰戈尔科技首席执行官兼联合创始人,并呈现在2021

2、IEEE应用电力通过Saikat戴伊,玛尼布尚雷,HarShiI瑞里，拉杰什戈什，泰戈尔的马尼什沙阿虹会议和博览会(APEC),是应用电子领域最相关的活动，几乎于2021年6月M日至17日期间举行。反激式拓扑比较活动期间，泰戈尔比较了两种反激式!XVDC转换器拓扑:准谐振反激(QRF)和有源钳位反激(KF)拓扑，适用于基于GaN的65WUSBTyPeY充电器应用。对于功率低于100W的充电器应用和电源适配器,最流行的拓扑是基于SiMOSFET的单开关QRF,它实现门氐丁90%至91%的系统效率，低于10W/in的功率密度。3(因为它受到无源钳位缓冲器损耗的影响)和硬开关损耗(尤其是在150kH

3、z以上的开关领率下)并且需要庞大的热管理来散热。可以通过两种可能的解决方案来解决此问题。第一个涉及采用基于GaN的ACI-拓扑，它可以在没有任何振铃的情况卜钳位初级开关电压，并将变压器泄漏能量回收到输出，而没有任何缓冲器损耗。该解决方案可以在更高的开关须率下运行，同时提供比传统反激式适配得更高的效率和更高的功率密度.但是，这种设计需要负曳筮来开启主开关的ZVS,这会增加初级RMS电流，从而导致变压器和开关处的传导损耗以及变压器中的磁芯损耗更高。第二种解决方案是基于GaN的QRF拓扑，与基于GaN的CI设计相比，这是一种低成本的解决方案，特别适用于200kHz以卜的操作，因为在较高的开关频率F.

4、开关损耗和缓冲涔损耗成为主导.“在我们的工作中，我们在相同体积卜.使用QRF和ACF拓扑设计了两个这样的65WUSBPD充电器，并通过实验比较了它们的性能，并从理论上计算了这些设计中的功率损耗分布，”DaS说。QRF拓扑具有同步整流的QRIs如图1所示，是一种非连续电流模式或过渡模式反激式，具有谷值开关导通，以最大限度地减少开关导通损耗。RCD电路钳位丫“节点电压，保护初级开关晶体管S,不超过其击穿电压，同时耗散存储在1.-.,泄漏能量,当次级电流下降到零时，存储在开关节点寄生电容(C.)中的能量将与初级电感(1.+1.,)形成谐振回路，谐振频率为：QRF也喷将在该谐振周期的第一个谷值瞬间开启

5、初级FET,以便在开启事件期间在”I有最小电压，从而导致最小开关损耗。该转换港的开关频率(FC)和峰值磁化电潦(I.)取决于输入工作电压丫,和负戏P.0图1：QRF拓扑总开关周期TC可以计算为:其中n是反激型冷电感的初级与次级匝数比：V.是整流后的交流线路的平均输入直流母线电压：V为快换器榆出直流电用。DCM反激输入功率关系为:从代入中的T”可以卷到初级峰值电流的解:然后根据（3）确定开关频率，该频率随着输入电压的增加和负载的减少而增加。“1”和F”随为我们的65W充电器设计的QRF转换潜输出功率的变化清楚地表明，在较轻的负载条件卜.，F“以抛物线性质增加，而It1.在固定输入电压下线性降低，

6、”达斯说。如果增加开关波谷的阶数（即，如果制在第二个波谷瞬间而不是第个波谷开启），F”将以增加的I,电流为代价降低。“在我们设计的65TQRF转换器中，控制器负货谷值切换的转变，以保持最佳的系统效率，”DaS说。ACF拓扑该转换器（如图2所示）是QRF的改进版本，具有连续电流传导功能。ACF转换器的输入功率可计算为:其中，1是流经1.的磁化电流的正峰值，1.是负峰值，负贵SI的ZVS导通，可以写成：其中C“是总开关节点电容：n是反激耦合电感的初级与次级匝数比：V”是物流输入交流线路的平均输入直潦母线电压；V.“为转换器输出直流电压。图2：ACF拓扑在ACF转换器中，开关频率和正峰值磁化电流的变

7、化与QRF类似,但F、和I.的关系略有不同。开关周期可以表示为：T,是1.和C“之间谐振时间周期的四分之一，而节点达到OV,可以写为：使用（5）和（7）,我们可以推导出F“和I1.与转换器输出功率（Pm）的关系.比较结果对于20V输出和115V交流输入的转换器，已经获得了整个负载范围内的总动率损耗和测得的效率，如图3所示。图3中显示的比较效率表明，在高达45W的输出功率时，QRF比ACF更有效，超过该功率时，ACF充电器的效率占主导地位。从115VC输入的损耗分析数据来看，在最高负载条件下，ACF转换器因其众所周知的优势而具有更高的效率，但随着轻负载条件下F“小增加，QRF提供了更高的效率。图

8、3：不同负载卜的效率“为了验证估计的效率数据，我们设计并制造了两个65WUSBPD适配器原型，用于使用QRF和ACF拓扑进行测试，实现了大约35W/in的功率密度。每种情况卜.，”达斯说。两个转换涔（图4）均基于来自泰戈尔科技的650Ve-modeGaN功率KTP44400NM,其RIeU为360m,最近.泰戈尔推出了TP44200NM,这是款具有集成驶动器IC的650VGaN功率FET,采用紧凑的22引脚、5X7玄米QFN封装。新器件提供180mQ的低RW和快速开关，以小尺寸提供高效、低成本的电源解决方案，适用于需要高功率密度的各种应用，包括USB-PD充电器、服务器和电信AC/DC电源和功率因数校正转换涔。基于GaN的QRF或ACI充电器设计实现了比硅对应物更高的效率和更小的系统尺寸。图4：开发的理性原型刘清