提高功率密度的關(guān)鍵是提高開關(guān)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。有源鉗位反激式 (ACF) 等高速拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自 1996 年以來已由學(xué)術(shù)界提出1但因硅的較差開關(guān) (Q GD , T rr , C OSS ) 性能而受挫2更不用說復(fù)雜性和系統(tǒng)成本了。

氮化鎵 (GaN) 3是一種“寬帶隙”材料，因為它提供的電子帶隙比硅大 3 倍，這意味著 GaN 可以處理 10 倍強(qiáng)的電場并以小得多的芯片提供高功率。通過更小的晶體管和更短的電流路徑，實現(xiàn)了超低電阻（R DS(on)）和電容（Q GD、C OSS、零 T rr），從而使開關(guān)速度提高了 100 倍。為了提供與 GaN 承諾相匹配的實際性能，GaN 功率 IC 4單片集成了 GaN 功率 (FET) 并驅(qū)動以控制和保護(hù)高速 GaN 功率開關(guān)。

介紹了三種新拓?fù)洌?0W 脈沖 ACF、300W CrCM 圖騰柱 PFC 和 1kW 半橋 LLC。

脈沖 ACF：電解大容量電容器消除

多年來，減少大容量電容器（或完全去除）一直是一個難以捉摸的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幾乎沒有成功。大容量電容器額定值 (μF) 取決于所需的輸出功率、交流線路電壓和交流線路頻率。額定值是在每個交流線路周期對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，同時保持提供恒定直流輸出電壓所需的最小直流保持電壓水平 (~400 V)。提高功率轉(zhuǎn)換級本身的開關(guān)頻率對大容量電容器的尺寸沒有影響，因此它不會從我們使用磁性元件獲得的相同頻率尺寸減小中受益。即使開關(guān)頻率提高到足以使磁性元件縮小到基于 PCB 的“空芯，

但是，如果我們將轉(zhuǎn)換器的輸出要求從嚴(yán)格調(diào)節(jié)的直流電壓更改為經(jīng)過整流的交流電壓，那么我們就可以改變游戲規(guī)則。通過脈沖輸出，我們可以獲得整流后的交流大容量電容電壓，這使得大容量電容的電容值大大降低，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(jī)快速充電器，脈沖電流是可以接受的，特別是如果手機(jī)的電池充電算法稍作修改以接受脈沖電壓波形。

為了實現(xiàn)新的脈沖輸出電壓要求，ACF 拓?fù)淇梢杂行У貙⒄骱蟮慕涣骺偩€電壓轉(zhuǎn)換為脈沖直流輸出電壓。傳統(tǒng)的 QR 反激式簡單且成本低，但在高壓線條件下是“硬開關(guān)”。諧振 LLC 拓?fù)湓谡麄€負(fù)載范圍內(nèi)提供 ZVS 操作，但取決于有限范圍的直流總線電壓。ACF 拓?fù)渫ㄟ^在整個線路和寬負(fù)載和電壓范圍內(nèi)實現(xiàn) ZVS 操作，提供了兩全其美的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的 QR 反激式相比，ACF 拓?fù)浒ㄒ粋€額外的高邊開關(guān)和電容器，用于在死區(qū)時間內(nèi)將開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 (V SW ) 轉(zhuǎn)換到相反的電源軌并實現(xiàn) ZVS。使用 GaN 功率 IC 的兆赫茲 ACF 在 2016 年進(jìn)行了學(xué)術(shù)演示5自 2018 年推出 TI 的 UCC2878x ACF PWM 控制器以來，可用于工業(yè)。GaN 可實現(xiàn)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(qū)動更小的無源元件，50-W 快速充電器示例：~100-kHz 傳統(tǒng)線軸（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）減小尺寸，導(dǎo)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 與一些新穎的系統(tǒng)分區(qū)以減小轉(zhuǎn)換器的大小和配置文件，并最終創(chuàng)造出全新的、獨(dú)特的開箱即用用戶體驗。

高頻PFC，無橋接

用于中等功率（100 至 500 W）應(yīng)用的傳統(tǒng) PFC 拓?fù)浒ㄒ粋€輸入橋式整流器和一個傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)升壓開關(guān)以給定的開關(guān)頻率打開和關(guān)閉時，開關(guān)的開啟和關(guān)閉時間受到控制，使得交流線路輸入電流遵循與交流線路電壓相同的形狀和相位，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，該電路可以達(dá)到約 96% 的效率。升壓轉(zhuǎn)換器本身可以做得非常高效，但交流輸入橋的損耗非常高，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱極端和較差的整體效率。

輸入“無橋圖騰柱”PFC 拓?fù)洹?/p>

在具有標(biāo)準(zhǔn)交流整流器的傳統(tǒng) PFC 電路中，在任何時間點(diǎn)，輸入橋的兩個二極管始終導(dǎo)通，并產(chǎn)生 > 50% 的總 PFC 電路損耗。在過去的幾十年中，人們研究了許多無橋 PFC 電路，試圖消除輸入橋式整流器并提高系統(tǒng)效率，但很少有人能夠走出實驗室并進(jìn)入主流市場，這主要是由于更高的復(fù)雜性和成本。這些拓?fù)浒ń?jīng)典無橋、半無橋、雙向無橋和無橋圖騰柱。這些拓?fù)渲械拿恳粋€都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但它們都不是完美的解決方案。雖然已經(jīng)為多千瓦數(shù)據(jù)中心 SMPS 實施了基于微控制器的設(shè)計，但

圖 2：300W CrCM 圖騰柱 PFC 原理圖和效率數(shù)據(jù)

隨著 2021 年新控制器的出現(xiàn)，高頻 CrCM 無橋圖騰柱由于低 EMI 以及控制器簡化的電壓和電流感應(yīng)而成為一種流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)速度可以提高到 10 倍，從固定頻率 50kHz CCM 到 CrCM 圖騰柱操作的 200–500kHz，GaN 的低輸出電容 (C OSS ) 可提供涼爽、高效的結(jié)果。

高頻 DC/DC： GaN 功率的 6 倍

對于 100 至 3,000W 功率范圍內(nèi)的固定輸出電壓轉(zhuǎn)換器，下游 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的選擇通常是具有 ~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(nèi)的上游 PFC 級，也可以是 HVDC 安裝中的主要配電軌。

LLC 拓?fù)渚哂卸囗梼?yōu)勢，包括 ZVS 操作、高效率和高功率密度，并且 ZVS 操作使該轉(zhuǎn)換器成為使用高速動力系統(tǒng)提高開關(guān)頻率和減小磁體尺寸的理想平臺。

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (DOSA) 四分之一磚外形中，一流的硅基設(shè)計達(dá)到 150 W。通過使用 GaN 功率 IC 并將 DC/DC 開關(guān)頻率從 275 kHz 提高到 830 kHz 3 倍，額定功率可提高 6 倍至 1 kW。

審核編輯：湯梓紅