高功率密度快充几种软开关反激比较以及GaN优点介绍

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高功率密度快充几种软开关反激比较以及GaN优点介绍

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7 U# ]- C5 g* u2 U' i9 V     【导读】在非对称反激变换器中，上管导通时，变压器和谐振电容同时储存能量，当能量从原边向次级传输时，原边串联的谐振电容和变压器储存的能量，同时向输出负载传输，因此，变压器得到利用的利用，变压器的尺寸可以显著的减小。

1、有源箝位反激变换器和非对称反激变换器的比较

图1：有源箝位反激变换器的电路结构

图2：非对称反激变换器的电路结构

（1）有源箝位反激变换器的变压器需要储存输出所需的所有能量，由于输入电压通常在一定的范围内变化，因此变压器无法工作在最优的状态，变压器也无法进行最优化的设计。

在非对称反激变换器中，上管导通时，变压器和谐振电容同时储存能量，当能量从原边向次级传输时，原边串联的谐振电容和变压器储存的能量，同时向输出负载传输，因此，变压器得到利用的利用，变压器的尺寸可以显著的减小。

（2）、有源箝位反激变换器中，当负载降低到某一值时，系统会退出有源箝位的工作方式，效率会降低，同时会对次级整流管产生高的电压应力。

非对称反激变换器可以在更宽的负载范围内，工作在软开关模式，因此在较轻的负载条件下可以获得更高的效率。

（3）、有源箝位反激变换器的箝位电容不在主功率回路，流过的电流小，因此可以使用价格便宜的高压陶瓷电容。

非对称反激变换器的谐振电容位于主功率回路，流过的电流大，因此要使用高频特性比较好、通过电流大的CBB或X1高压电容。

2、软开关ZVS反激变换器使用GaN的优点

有源箝位反激变换器和非对称反激变换器这二种结构使用GaN功率管，相比于超结的高压功率MOSFET，在高频软开关工作时，具有更高的效率，因此更有优势：

图3：E-Mode GaN结构

（1）、GaN的Ciss非常小，驱动损耗非常小，提高高频工作的效率。

（2）、GaN的Coss 及Qoss非常小，要求实现ZVS开通所需要的激磁电流小，这样就减小系统的环流，从而降低在功率MOSFET和变压器中产生的导通损耗，同时也可以减小变压器磁芯的损耗。

（3）、GaN的Crss小，关断时产生的开关损耗小。

（4）、高频ZVS工作时，GaN的Coss充放电产生的损耗明显低于超结的高压功率MOSFET。

（5）、超结的高压功率MOSFET的Coss的非线性特性，在低压时会突然急剧增加，因此在设计时需要有更长的死区时间，从而降低了系统效率。

（6）、有源箝位反激变换器使用GaN同时采用次级同步整流，在原边和次级绕组换流过程中，变压器的原边电流下跌凹坑更大，因此可以减小上管的导通损耗以及变压器原边绕组的导通损耗，从而提高效率。

（a）超结高压MOS

（b）高压GaN

图4：有源箝位反激工作波形

3、电流反灌其它电路结构

电流反灌可以使用次级输出绕组、也可以使用辅助绕组实现原边主开关的零电压ZVS工作，控制的方法可以使用临界模式，也可以使用非连续模式。临界模式的工作过程以前的文章进行过详细的论述，非连续模式的工作原理如图5所示。

在主开关管开通前，先开通辅助绕组的开关管，辅助电源对辅助绕组进行电流反灌，将能量储存在变压器中；辅助绕组的开关管关断后，变压器储存的能量抽取主开关管COSS的能量，COSS放电电压降低，直到其内部体二极管导通，这时候开通主开关管，就能实现零电压开通ZVS。

（a）电路结构

（b）工作波形

图5：使用辅助绕组电流反灌的电路结构和波形

电流反灌实现ZVS软开关的反激变换器结构具有简单、不需要高压浮动驱动、成本低的优点，缺点是对反灌电流很难实现精确控制，反灌电流太小，无法实现主功率管的ZVS软开关；反灌电流太大，产生大的环流和导通损耗，影响效率。

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