采用GaN HEMT器件最大限度提高下一代USB充电器功率密度

作为减少电子垃圾数量倡议的组成部分，欧盟要求开发一种基于USB-C标准的小型通用充电设备，需要适用于所有类型的可携带设备，如电动自行车、移动设备和功能更加强大的便携式计算机等，所有这些设备都需要定期快速充电。这种设备装置需要满足范围广泛的输出电压，能够在世界各地所有类型电源电压下工作，并具有足以同时对多个设备进行充电的高额定功率。这种要求将使USB-C充电器的功率水平从65 W上升到240 W。在该功率水平上进行功率因数校正（PFC），实现较高功率密度，同时能够在宽电压范围内保持电压调节，这些都变得越来越具有挑战性。氮化镓高电子迁移率（GaN HEMT）器件被认为是实现高功率密度的重要潜在技术。因此，英飞凌科技很早之前就着手研究GaN HEMT是否能够兑现这些承诺，为下一代充电应用提供所需的功率密度水平。在本文中，我们将讨论英飞凌科技采用的技术以及研发成果。

应对挑战

这种新型充电器设计面临着多种挑战，除PFC外，还包括宽范围的输入（90～265 VRMS ）和输出电压（5～48V），并需要以高功率密度外形提供两个独立USB-C输出端口。实现高功率密度尤其具有挑战性，因为热量只能通过自然对流和辐射从充电器中消除。图1显示为所需工作效率与功率密度的关系曲线和一个240W充电器的设计规范。为了保持最高70℃的表面温度和最大功率密度，要求设计效率至少达到96%。

选择拓扑架构

为了帮助确定设计的最佳拓扑架构，可以采用不同的控制和隔离功能选项。对于PFC（整流器）级，需要考虑降压、升压和降压-升压型PFC拓扑。升压PFC提供的直流链路电压高于峰值电网电压，但降压PFC级提供的较低电压则可以简化后续DC/DC级设计。然而，在单相系统中使用降压转换器的一个缺点是，它有不连续的电流输入，这会产生电网侧不可接受的谐波，特别是在较低电压更为严重，因此不能使用降压转换器。DC/DC转换器要求进行电流隔离，以提供更安全运行，并允许独立控制两个USB-C端口中的每一个。这可以通过多种方式实现。一种选择是采用混合反激（HFB）DC/DC转换器，然后通过两个降压转换器，提供同步隔离和调节。或者，通过使用具有固定转换比的“DC变压器”（DCX）转换器，第一级DC/DC转换可用于仅提供隔离（无调节）。第三种方法是使用两个隔离和调节转换器（如HFB），每个输出端口一个。但是，这种方式无法提供所需的功率密度水平，因为它需要两个变压器，每个变压器的额定功率为转换器的全部功率。

USB充电解决方案及其性能

使用详细的多目标（效率与功率密度）帕累托优化方式，在充分考虑这些不同方法的相对优缺点之后，可以选择了一个2x交错图腾极点PFC，带升压跟随器（boost-follower）调制，并结合有一个DCX和两个后续降压级（参见图2）。

通过在每个桥臂（即有效值800 kHz）以固定开关频率（400 kHz）连续导通模式（CCM）下运行，并结合较小的升压电感值，PFC级能够在所有负载和输入rms电压条件下的整个线路周期内实现零电压开关（ZVS）。这种模式会在升压电感和开关中产生较大的纹波电流，因此使用了两个交错的高频桥臂，该模式具有下列优点。首先，为了实现零电压开关，电桥每个桥臂的平均电流为PFC总电流的50%，这将每个电感器所需电流纹波减小了一半。其次，桥臂相移180°导致EMI滤波器的有效开关频率加倍，这降低了要求滤波器提供的衰减水平，因此，EMI滤波器可以做得更小。最后，由于功率损耗分布在更多组件上，所以不会出现集中发热点。

DCX转换器在425kHz的谐振频率下工作，并且仅通过使用ZVS过渡的磁化电流来实现ZVS（与负载无关）。选择变压器的匝数比（5.6:1），以便300～400V的直流链路电压范围能够映射到降压级的输入电压范围（52～71V）。这使得能够在DCX级和两个输出降压级中使用额定100V的肖特基栅极（SG）GaN HEMT器件作为同步整流器。

结论

GaNHEMT器件能够在高开关频率下执行软开关和硬开关，其特性允许使用高级拓扑、调制和控制方案。因此，这种240W USB-C充电器设计能够在90Vrms输入和48V输出的满载运行情况下实现95.3%的总体系统效率。系统的功率密度为42 W/in3（无外壳），比现有硅基充电器的功率密度高出约2倍。这些结果表明，GaN HEMT器件能够很好地满足下一代宽输入/输出电压范围、高功率密度USB-C充电器的设计要求。