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高功率密度快充及PD适配器电源结构(3):GaN的优点、几种软开关反激比较
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2023.10.31 上海

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1、有源箝位反激变换器和非对称反激变换器的比较

图1:有源箝位反激变换器的电路结构

图2:非对称反激变换器的电路结构

(1)有源箝位反激变换器的变压器需要储存输出所需的所有能量,由于输入电压通常在一定的范围内变化,因此变压器无法工作在最优的状态,变压器也无法进行最优化的设计。

在非对称反激变换器中,上管导通时,变压器和谐振电容同时储存能量,当能量从原边向次级传输时,原边串联的谐振电容和变压器储存的能量,同时向输出负载传输,因此,变压器得到利用的利用,变压器的尺寸可以显著的减小。

(2)、有源箝位反激变换器中,当负载降低到某一值时,系统会退出有源箝位的工作方式,效率会降低,同时会对次级整流管产生高的电压应力。

非对称反激变换器可以在更宽的负载范围内,工作在软开关模式,因此在较轻的负载条件下可以获得更高的效率。

(3)、有源箝位反激变换器的箝位电容不在主功率回路,流过的电流小,因此可以使用价格便宜的高压陶瓷电容。

非对称反激变换器的谐振电容位于主功率回路,流过的电流大,因此要使用高频特性比较好、通过电流大的CBBX1高压电容。

2、软开关ZVS反激变换器使用GaN的优点

有源箝位反激变换器和非对称反激变换器这二种结构使用GaN功率管,相比于超结的高压功率MOSFET,在高频软开关工作时,具有更高的效率,因此更有优势:

 图3:E-Mode GaN结构

(1)GaNCiss非常小,驱动损耗非常小,提高高频工作的效率。

(2)GaNCoss Qoss非常小,要求实现ZVS开通所需要的激磁电流小,这样就减小系统的环流,从而降低在功率MOSFET和变压器中产生的导通损耗,同时也可以减小变压器磁芯的损耗。

(3)GaNCrss小,关断时产生的开关损耗小。

(4)、高频ZVS工作时,GaNCoss充放电产生的损耗明显低于超结的高压功率MOSFET

(5)、超结的高压功率MOSFETCoss的非线性特性,在低压时会突然急剧增加,因此在设计时需要有更长的死区时间,从而降低了系统效率。

(6)、有源箝位反激变换器使用GaN同时采用次级同步整流,在原边和次级绕组换流过程中,变压器的原边电流下跌凹坑更大,因此可以减小上管的导通损耗以及变压器原边绕组的导通损耗,从而提高效率。

(a)超结高压MOS

 (b)高压GaN

图4:有源箝位反激工作波形

3、电流反灌其它电路结构

电流反灌可以使用次级输出绕组、也可以使用辅助绕组实现原边主开关的零电压ZVS工作,控制的方法可以使用临界模式,也可以使用非连续模式。临界模式的工作过程以前的文章进行过详细的论述,非连续模式的工作原理如图5所示。

在主开关管开通前,先开通辅助绕组的开关管,辅助电源对辅助绕组进行电流反灌,将能量储存在变压器中;辅助绕组的开关管关断后,变压器储存的能量抽取主开关管COSS的能量,COSS放电电压降低,直到其内部体二极管导通,这时候开通主开关管,就能实现零电压开通ZVS。

(a)电路结构

(b)工作波形

图5:使用辅助绕组电流反灌的电路结构和波形

电流反灌实现ZVS软开关的反激变换器结构具有简单、不需要高压浮动驱动、成本低的优点,缺点是对反灌电流很难实现精确控制,反灌电流太小,无法实现主功率管的ZVS软开关;反灌电流太大,产生大的环流和导通损耗,影响效率。

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