基于GaN的反激拓扑提高USB Type-C充电器的效率

对更小、更紧凑、更高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高效和高功率密度的充电器，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科技。

Tagore 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，是一家无晶圆厂半导体公司，开创了用于射频 (RF) 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，能够应对射频和电源设计挑战，加快各种应用的上市时间。

这篇文章是基于与Amitava达斯博士接受记者采访时泰戈尔科技首席执行官兼联合创始人，并呈现在2021 IEEE应用电力通过Saikat戴伊，玛尼布尚雷，Harshit瑞里，拉杰什戈什，泰戈尔的马尼什·沙阿电子会议和博览会 (APEC)，是应用电子领域最相关的活动，几乎于 2021 年 6 月 14 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 DC/DC 转换器拓扑：准谐振反激 (QRF) 和有源钳位反激 (ACF) 拓扑，适用于基于 GaN 的 65W USB Type-C 充电器应用。对于功率低于 100 W 的充电器应用和电源适配器，最流行的拓扑是基于 Si MOSFET 的单开关 QRF，它实现了低于 90% 至 91% 的系统效率，低于 10 W/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 150 kHz 以上的开关频率下）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 ACF 拓扑，它可以在没有任何振铃的情况下钳位初级开关电压，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频率下运行，同时提供比传统反激式适配器更高的效率和更高的功率密度。但是，这种设计需要负电流来开启主开关的 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 ACF 设计相比，这是一种低成本的解决方案，特别适用于 200 kHz 以下的操作，因为在较高的开关频率下，开关损耗和缓冲器损耗成为主导.

“在我们的工作中，我们在相同体积下使用 QRF 和 ACF 拓扑设计了两个这样的 65W USB PD 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 QRF，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V _SW节点电压，保护初级开关晶体管S ₁不超过其击穿电压，同时耗散存储在L _{K 中的}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 _sw ) 中的能量将与初级电感 (L _m + L _k )形成谐振回路，谐振频率为：

QRF 控制器将在该谐振周期的第一个谷值瞬间开启初级 FET，以便在开启事件期间在_{S1 上}有最小电压，从而导致最小开关损耗。该转换器的开关频率 (F _sw ) 和峰值磁化电流 (I _p ) 取决于输入工作电压 V _in和负载 P _in。

图 1：QRF 拓扑

总开关周期 T _sw可以计算为：

其中 n 是反激耦合电感的初级与次级匝数比；V _in是整流后的交流线路的平均输入直流母线电压；V ₀为转换器输出直流电压。

DCM 反激输入功率关系为：

从 (3)代入 (2) 中的T _sw可以得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。

“I _p和 F _sw随为我们的 65 W 充电器设计的 QRF 转换器输出功率的变化清楚地表明，在较轻的负载条件下，F _sw以抛物线性质增加，而 I _p在固定输入电压下线性降低，”达斯说。

如果增加开关波谷的阶数（即，如果_S1在第二个波谷瞬间而不是第一个波谷开启），F _sw将以增加的I _p电流为代价降低。

“在我们设计的 65-W QRF 转换器中，控制器负责谷值切换的转变，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，I _m+是流经 L _m的磁化电流的正峰值，L _m-是负峰值，负责 S ₁的 ZVS 导通，可以写成：

其中 C _sw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 _in是整流输入交流线路的平均输入直流母线电压；V _out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化与 QRF 类似，但 F _sw和 I _{m+ 的}关系略有不同。开关周期可以表示为：

T _m-是 L _m和 C _sw之间谐振时间周期的四分之一，而 V _sw节点达到 0 V，可以写为：

 使用（5）和（7），我们可以推导出F _sw和I _m+与转换器输出功率（P _out）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功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 115 VAC 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 _{sw 的}增加，QRF 提供了更高的效率。

图 3：不同负载下的效率

“为了验证估计的效率数据，我们设计并制造了两个 65W USB PD 适配器原型，用于使用 QRF 和 ACF 拓扑进行测试，实现了大约 35 W/in 的功率密度。每种情况下^{3 个}，”达斯说。

两个转换器（图 4）均基于来自泰戈尔科技的 650V e-mode GaN 功率 IC TP44400NM，其 R _DS(on)为 360 mΩ。最近，泰戈尔推出了 TP44200NM，这是一款具有集成驱动器 IC 的 650V GaN 功率 FET，采用紧凑的 22 引脚、5 × 7 毫米 QFN 封装。新器件提供180 mΩ 的低 R _DS(on)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器。

基于 GaN 的 QRF 或 ACF 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：开发的硬件原型