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采用GaN HEMT器件最大限度提高下一代USB充電器功率密度

2022-12-05
作者:英飛凌科技(Infineon Technologies) 首席工程師Matthias Kasper,高級主管工程師Jon Azurza
來源:英飛凌
關(guān)鍵詞: 英飛凌 GaN HEMT USB充電

作為減少電子垃圾數(shù)量倡議的組成部分,歐盟要求開發(fā)一種基于USB-C標準的小型通用充電設(shè)備,,需要適用于所有類型的可攜帶設(shè)備,,如電動自行車、移動設(shè)備和功能更加強大的便攜式計算機等,,所有這些設(shè)備都需要定期快速充電,。這種設(shè)備裝置需要滿足范圍廣泛的輸出電壓,能夠在世界各地所有類型電源電壓下工作,,并具有足以同時對多個設(shè)備進行充電的高額定功率,。這種要求將使USB-C充電器的功率水平從65 W上升到240 W。在該功率水平上進行功率因數(shù)校正(PFC),,實現(xiàn)較高功率密度,,同時能夠在寬電壓范圍內(nèi)保持電壓調(diào)節(jié),這些都變得越來越具有挑戰(zhàn)性,。氮化鎵高電子遷移率(GaN HEMT)器件被認為是實現(xiàn)高功率密度的重要潛在技術(shù),。因此,英飛凌科技很早之前就著手研究GaN HEMT是否能夠兌現(xiàn)這些承諾,,為下一代充電應用提供所需的功率密度水平,。在本文中,我們將討論英飛凌科技采用的技術(shù)以及研發(fā)成果,。


應對挑戰(zhàn)

這種新型充電器設(shè)計面臨著多種挑戰(zhàn),,除PFC外,還包括寬范圍的輸入(90~265 VRMS )和輸出電壓(5~48V),,并需要以高功率密度外形提供兩個獨立USB-C輸出端口,。實現(xiàn)高功率密度尤其具有挑戰(zhàn)性,因為熱量只能通過自然對流和輻射從充電器中消除,。圖1顯示為所需工作效率與功率密度的關(guān)系曲線和一個240W充電器的設(shè)計規(guī)范,。為了保持最高70℃的表面溫度和最大功率密度,要求設(shè)計效率至少達到96%,。

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選擇拓撲架構(gòu)

為了幫助確定設(shè)計的最佳拓撲架構(gòu),,可以采用不同的控制和隔離功能選項。對于PFC(整流器)級,,需要考慮降壓,、升壓和降壓-升壓型PFC拓撲,。升壓PFC提供的直流鏈路電壓高于峰值電網(wǎng)電壓,但降壓PFC級提供的較低電壓則可以簡化后續(xù)DC/DC級設(shè)計,。然而,,在單相系統(tǒng)中使用降壓轉(zhuǎn)換器的一個缺點是,它有不連續(xù)的電流輸入,,這會產(chǎn)生電網(wǎng)側(cè)不可接受的諧波,,特別是在較低電壓更為嚴重,因此不能使用降壓轉(zhuǎn)換器,。DC/DC轉(zhuǎn)換器要求進行電流隔離,,以提供更安全運行,并允許獨立控制兩個USB-C端口中的每一個,。這可以通過多種方式實現(xiàn),。一種選擇是采用混合反激(HFB)DC/DC轉(zhuǎn)換器,然后通過兩個降壓轉(zhuǎn)換器,,提供同步隔離和調(diào)節(jié),。或者,,通過使用具有固定轉(zhuǎn)換比的“DC變壓器”(DCX)轉(zhuǎn)換器,,第一級DC/DC轉(zhuǎn)換可用于僅提供隔離(無調(diào)節(jié))。第三種方法是使用兩個隔離和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器(如HFB),,每個輸出端口一個,。但是,這種方式無法提供所需的功率密度水平,,因為它需要兩個變壓器,,每個變壓器的額定功率為轉(zhuǎn)換器的全部功率。


USB充電解決方案及其性能

使用詳細的多目標(效率與功率密度)帕累托優(yōu)化方式,,在充分考慮這些不同方法的相對優(yōu)缺點之后,,可以選擇了一個2x交錯圖騰極點PFC,帶升壓跟隨器(boost-follower)調(diào)制,,并結(jié)合有一個DCX和兩個后續(xù)降壓級(參見圖2),。

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通過在每個橋臂(即有效值800 kHz)以固定開關(guān)頻率(400 kHz)連續(xù)導通模式(CCM)下運行,并結(jié)合較小的升壓電感值,,PFC級能夠在所有負載和輸入rms電壓條件下的整個線路周期內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS),。這種模式會在升壓電感和開關(guān)中產(chǎn)生較大的紋波電流,因此使用了兩個交錯的高頻橋臂,,該模式具有下列優(yōu)點,。首先,為了實現(xiàn)零電壓開關(guān),,電橋每個橋臂的平均電流為PFC總電流的50%,,這將每個電感器所需電流紋波減小了一半,。其次,橋臂相移180°導致EMI濾波器的有效開關(guān)頻率加倍,,這降低了要求濾波器提供的衰減水平,,因此,EMI濾波器可以做得更小,。最后,,由于功率損耗分布在更多組件上,所以不會出現(xiàn)集中發(fā)熱點,。


DCX轉(zhuǎn)換器在425kHz的諧振頻率下工作,,并且僅通過使用ZVS過渡的磁化電流來實現(xiàn)ZVS(與負載無關(guān))。選擇變壓器的匝數(shù)比(5.6:1),,以便300~400V的直流鏈路電壓范圍能夠映射到降壓級的輸入電壓范圍(52~71V),。這使得能夠在DCX級和兩個輸出降壓級中使用額定100V的肖特基柵極(SG)GaN HEMT器件作為同步整流器。

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結(jié)論

GaNHEMT器件能夠在高開關(guān)頻率下執(zhí)行軟開關(guān)和硬開關(guān),,其特性允許使用高級拓撲、調(diào)制和控制方案,。因此,,這種240W USB-C充電器設(shè)計能夠在90Vrms輸入和48V輸出的滿載運行情況下實現(xiàn)95.3%的總體系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的功率密度為42 W/in3(無外殼),,比現(xiàn)有硅基充電器的功率密度高出約2倍,。這些結(jié)果表明,GaN HEMT器件能夠很好地滿足下一代寬輸入/輸出電壓范圍,、高功率密度USB-C充電器的設(shè)計要求,。


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