本文讨论了商用氮化镓功率晶体管与Si SJMOS和SiC MOS晶体管相比在软开关LLC谐振转换器方面的优势。
介绍
随着更高功率、更小尺寸和更高效率的明显趋势，高频 LLC 谐振转换器是业内隔离式 DC/DC 拓扑的有吸引力的解决方案，例如笔记本电脑适配器 （》75W）、1KW-3KW 数据中心
电源单元 （PSU） 和用于电动汽车的多千瓦车载充电器 （OBC）。图1显示了开关频率为100KHz和500KHz的半桥LLC谐振转换器的拓扑结构。在较高频率下，无源谐振
电路（例如变压器、谐振电感器和谐振电容器）的尺寸明显减小，从而提高了功率密度。
此外，还需要考虑功率晶体管（Q1和Q2）的选择，以权衡效率和功率密度。GaN功率晶体管作为一种成熟的晶体管技术在市场上确立了自己的地位，但在软开关应用中通常不被考虑使用。虽然在硬开关应用中使用GaN可以显著提高效率，但软开关转换器（如LLC）对效率和频率的改善也同样显著。
图 1：100KHz 和 500KHz 时的半桥 LLC 谐振转换器
本文讨论了商用GaN功率晶体管与Si SJMOS和SiC MOS晶体管相比在软开关LLC谐振转换器中的优势。对晶体管的选择和比较进行了分析。考虑了晶体管参数，如与时间相关的输出有效电容（Co（tr））和关断能量（Eoff）等，这会影响LLC转换器的高性能成就。还分析了基于GaN、Si和SiC MOS的3KW 48V输出LLC转换器，以进行效率和功率密度比较。
初级晶体管选择
LLC具有多种优势，因为它具有完全谐振行为，允许在整个范围内进行软开关导通，这本质上有助于最大限度地减少功率晶体管和磁性
元件的损耗。在图2中，LLC初级侧电流ILr由次级侧电流除以变压器匝数比n和磁化电流ILm的叠加组成。磁化电流不会传递到输出端，而是需要对晶体管的寄生输出电容以及变压器绕组内和绕组间电容的组合放电，从而实现晶体管导通的零电压开关（ZVS），而不会产生开关导通损耗。一方面，为了实现ZVS的导通，晶体管的寄生输出电容应在每个死区时间内使用该磁化电流完全放电。另一方面，在死区时间内，磁化电流会在初级端产生额外的环流损耗。因此，最小化磁化电流是改进LLC转换器的目标。
图 2：半桥 LLC 谐振转换器的主电流和电压波形
图 3：不同晶体管（GaN、Si 和 SiC）的 Qoss 与 Vds 曲线
LLC的另一个重要晶体管参数是Qgd，它描述了栅极漏极开关和开关关断时间关断所需的电荷。这两个参数指示关断能力和损耗，从而指示最大工作频率和效率。关断时间toff通常不显示在晶体管数据手册中，但可以根据参考书［1］在给定的开关电压和电流条件下进行估算。
Si 和 SiC MOSFET 面临的挑战之一是体二极管反向恢复不完整。除了过载或启动期间引起的容性负载外，LLC的功率MOSFET的体二极管反向恢复不完整会导致潜在的系统可靠性问题［2］。体二极管现有的反向恢复电荷Qrr将产生高dv/dt，并且较大的直通电流将流过桥接晶体管，这可能导致MOSFET击穿。因此，Qrr参数是验证硬换相故障模式风险的关键参数，因此Qrr越低越好，避免故障。
表1总结了三种晶体管类型参数以及GaN、Si和SiC的物理材料。对于Si SJ MOS，选择了最新的具有本征快速体二极管的Si基MOSFET。GaN和SiC是最新一代的宽带隙晶体管，更适合高效率和高密度的功率转换。如表所示，与Si和SiC相比，具有相似RDS（on）的GaN功率晶体管在LLC关键参数方面具有很大的优势。Co（tr）、Qgd、toff和Qg的值越低，LLC转换器在效率和功率密度方面的性能越好。此外，GaN功率晶体管具有在AlGaN / GaN异质结上形成的横向二维
电子气体（2DEG）通道，该异质结没有固有的双极体二极管。无体二极管意味着没有Qrr，这意味着由于MOSFET的体二极管的存在，没有如上所述的硬雪崩操作。
操作和损失分析
图4给出了半桥LLC谐振转换器的稳态周期。以下是主要的五个状态，每个状态都有其随附的损失分析：
在状态1下，当高端驱动信号VGSH变低时，初级侧励磁电流ILM开始在死区时间内对低侧晶体管的输出电容放电。
在状态2时，寄生输出电容完全放电，GaN功率晶体管通过2DEG通道从源极到漏极以第三象限工作。至于Si和SiC MOSFET，有一个固有的双极体二极管;体二极管将在栅极通道关闭的情况下将电流从源极传导至漏极。在这种状态下，由于存在磁化电流，初级侧存在循环反向传导损耗。这种反向传导损耗在很大程度上取决于Co（tr）的值。较低的Co（tr）导致更短的死区时间，较低的磁化电流导致较低的反向传导损耗。
在状态3下，当驱动信号VGSL为高电平时，晶体管的ZVS实现，并且没有开关导通损耗。
在状态4时，晶体管以从漏极到源极的正向电流导通。在此状态下存在传导损耗，这与晶体管的导通电阻RDS（on）有关。
在状态5时，驱动信号VGSL变低，晶体管的通道通过硬开关关闭。由于峰值励磁电流Ilm_pk，存在电流和电压交交叉开关损耗。该损耗取决于晶体管的特性，栅极漏掉电荷Qgd并关闭时间关断。
图4中未提及的另一个损耗是栅极驱动损耗，它与晶体管的栅极电荷Qg有关，Qg越低，栅极驱动损耗越低，尤其是对于高开关频率。这种栅极驱动损耗不容忽视。
图 4：LLC 谐振转换器在稳态周期内的工作和损耗击穿
3KW LLC 谐振转换器
根据上述损耗分析，可以对不同的初级晶体管和不同的开关频率进行比较，以评估效率和功率密度的性能。设计了一个输出为48V的3KW半桥LLC谐振转换器，将性能与两种可比场景进行了比较：第一种是所有三种晶体管类型都在500KHz谐振频率下工作，第二种是500KHz基于GaN的LLC与基于100KHz硅的LLC。主要晶体管是氮化镓、硅或碳化硅。初级端上的每个开关实现表1中并联的两个晶体管器件。
图 5：采用 GaN 的 3KW 500kHz LLC 谐振转换器的损耗和效率与 Si 和 SiC 的关系
图5显示了所有晶体管均为500KHz的3KW半桥LLC的效率和损耗数据。对于500KHz，变压器、电感器和SR晶体管等其他元件的损耗击穿应该相同，关键损耗差异来自初级侧晶体管。虽然LLC转换器可以实现导通的ZVS，但随着初级磁化电流的增强，开关关断损耗仍然存在，特别是当开关频率增加到500KHz时。这些关断损耗不容忽视。与GaN相比，Si和SiC最主要的损耗是开关关断损耗，Si的开关关断损耗是GaN的六倍，而SiC的开关关断损耗是GaN的四倍。此外，与Si和SiC相比，基于GaN的LLC的驱动损耗要小得多。总体结果表明，基于GaN的LLC的总损耗比SiC低约20%，总损耗比Si低37%。 最终，基于GaN的LLC实现了高效率，这种效率的提高提供了满足或超过最新工业系统要求所需的增量性能，例如，用于电信AC/DC PSU的80Plus钛。
图 6：基于 500kHz GaN 的 LLC 和基于 100KHz 硅的 LLC 的 3KW 损耗和效率
图6显示了500kHz GaN基LLC和100kHz硅基LLC之间的其他3KW比较。在本例中，效率保持恒定，为97.9%，以研究对功率密度的影响。如图6所示，使用500KHz的GaN基LLC时，与100KHz的Si基LLC相比，谐振池的体积可以相对减少64%。总体而言，对于3KW LLC转换器，500kHz的GaN基解决方案的体积比硅基解决方案小2.2倍。
结论
LLC谐振转换器的案例研究显示了GaN功率晶体管的明显性能优势。从效率和功率密度的角度来看，Co（tr）、Qgd、toff和Qg最低的GaN功率晶体管是LLC拓扑的最佳选择。此外，没有GaN和零Qrr的体二极管使系统更加可靠，避免了硬换向故障损坏。总之，与用于LLC拓扑应用的Si和SiC晶体管相比，GaN在效率和功率密度方面提供了更高的价值。
