技术洞察 | 在LLC转换器中使用氮化镓开关，益处多多

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Dr. Gökhan Sen, Milko Paolucci, Sriram Jagannath

在初级侧采用氮化镓开关以实现更高的频率已被业界广泛接受。在LLC转换器中使用氮化镓（GaN）开关的好处包括：较低的输出电荷（Qoss），可降低零压开关（ZVS）所需的循环电流较低的栅极电荷（Qg），可降低栅极驱动损耗较高的开关速度可降低较高开关频率下的占空比损耗。除此之外，氮化镓开关还具有其他已知特性，如单位面积导通电阻（RDS(on)）更低、无反向恢复（Qrr）等。

迄今为止，尽管MOSFET的Qg相关损耗比GaN高，但它通常作为LLC转换器的同步整流器 (SR) 出现在次级侧。另一方面，研究表明，次级开关的高输出电容（Coss）会增加初级开关节点的等效电容（如变压器寄生（绕组间）电容），从而使 ZVS需要更高的峰值磁化电流（iLm）。由于环流增加，初级侧的有效值电流也随之增加。同样，在空载或极轻载条件下，LLC的谐振腔行为也会因高频次级谐振而发生变化。这是因为 SR Coss和变压器寄生使负载特性从电阻性变为电容性，尤其是在空载时。这种变化导致LLC的电容增益随着频率的增加而意外增加，通过限制最大开关频率和/或要求使用假负载作为最小负载，使空载调节变得十分困难。

在本文中，我们将证明在次级侧使用氮化镓开关可以：

• 提高转换器效率
• 提高初级开关的ZVS性能
• 促进低负载时的电压调节
• 由于没有Qrr，减少了高于谐振情况下的损耗
  
  

LLC转换器拓扑因其高效率、零电压开关能力和更好的EMI性能而被广泛应用于许多领域。另一方面，为了不偏离LLC的最佳工作点（即谐振工作点），需要考虑一些设计挑战。其中一些挑战是由拓扑结构的性质造成的，如在宽电压范围内工作，而其他挑战，如带有循环电流的初级ZVS和轻载调节，则可以通过选择具有更好FOMQoss（Qoss相关功耗系数）的开关来改善。

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硅MOSFET的开关速度较慢（典型值 < 100kHz），高频下开关损耗显著，限制了功率密度提升。

GaN为高密度、高效率电源提供了全新路径。

高频下开关损耗剧增。              

GaN的高频特性支持更快的控制环路，提升动态性能。

低寄生电容和寄生电感              

助于减少导通损耗，提高转换效率。

GaN更适合半桥拓扑，因其驱动速度快且无需处理全桥的死区补偿问题。

突破频率限制、优化热管理和重构拓扑设计

可降低导通损耗，提高转换器的整体效率。

由于GaN开关在高频下工作，需考虑良好的散热设计

在LLC谐振拓扑中，GaN可实现98%以上的峰值效率。

氮化镓器件通常具有较高的耐压能力

需复杂散热设计。              

GaN芯片成本逐年下降，但在中低端市场仍面临硅基方案的竞争。

氮化镓晶体管能够在更高的温度下稳定工作，这减少了对于额外的散热措施的需求

高频开关可能导致电磁干扰加剧，需结合屏蔽和滤波设计。

与传统的硅基MOSFET不同，氮化镓器件没有反向恢复电荷，这减少了开关过程中的损耗，进一步提高了效率。

二极管的反向恢复特性导致二次侧损耗增加，尤其在轻载时效率骤降。