随着更高功率、更小尺寸和更高效率的明显趋势，高频 LLC 谐振转换器对于业界隔离 DC/DC 拓扑来说是一种有吸引力的解决方案，例如笔记本电脑适配器 (>75W)、1KW-3KW 数据中心用于电动汽车的电源装置 (PSU) 和多千瓦车载充电器 (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。在较高频率下，很明显，无源谐振回路（例如变压器、谐振电感器和谐振电容器）的尺寸显着减小，从而提高了功率密度。
此外，功率晶体管（Q1 和 Q2）的选择需要考虑权衡效率和功率密度。GaN 功率晶体管已作为一种经过验证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。虽然在硬开关应用中使用 GaN 可以显着提高效率，但软开关转换器（例如 LLC）的效率和频率的改进也同样显着。
100KHz 和 500KHz 的半桥 LLC 谐振转换器
图 1：100KHz 和 500KHz 下的半桥 LLC 谐振转换器
在本文中，针对软开关 LLC 谐振转换器，讨论了商用 GaN 功率晶体管与 Si SJMOS 和 SiC MOS 晶体管相比的优势。进行了晶体管选择和比较的分析方法。考虑到与时间相关的输出有效电容(Co(tr))和关断能量(Eoff)等晶体管参数，这些参数影响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。
主晶体管选择
LLC 由于其完全谐振行为而具有多种优势，允许在整个范围内进行软开关导通，这本质上有助于限度地减少功率晶体管和磁性组件的损耗。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。磁化电流并不传输到输出端，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进行放电，从而实现晶体管导通的零电压开关（ZVS） -on 无开关开通损耗。一方面，为了实现开通时的ZVS，在每个死区时间内，晶体管的寄生输出电容应使用该磁化电流完全放电。另一方面，在死区时间内，磁化电流将在初级线圈上产生额外的循环损耗。因此，化磁化电流是改进 LLC 转换器的目标。
半桥 LLC 谐振转换器的初级电流和电压波形
图 2：半桥 LLC 谐振转换器的初级电流和电压波形
半桥 LLC 的 ZVS 实现条件的死区时间可以从等式 (1) 中得出。其中，Lm 是主变压器的励磁电感，fs 是开关频率。根据等式 (1)，晶体管参数 Co(tr) 描述了将漏极电压无源转换为源极电压所需的输出电容，是高效率和高密度 LLC 转换器的关键参数。有效 Co(tr) 的值越低，给定的漏极到源极转换时间所需的磁化电流就越少，这允许变压器的磁化电感值更高，死区时间更短，从而降低循环电流初级侧的损耗。同时，对于给定的 Lm 和 tdead，有效 Co(tr) 的较低值，
t de a d m i n =16? Co ( t r ) ? L m ? f s
该有效电容 Co(tr) 可以通过输出电荷 Qoss 从输出电容 Coss 导出，其关系式为 QOSS = ∫ 0 Vds Coss(v)dv 和 Co(tr)= Co(tr)/V。图 3 绘制了 Qoss 与 Vds 电压的关系图。对于从 400V 到 0V 的 Vds 电压转换，Si SJMOS 的 Co(tr) 通常比 GaN 高 10 倍，而 SiC 的 Co(tr) 比 GaN 高 50%。
不同晶体管（GaN、Si 和 SiC）的 Qoss Vs Vds 曲线
图 3：不同晶体管（GaN、Si 和 SiC）的 Qoss Vs Vds 曲线
LLC 的另一个重要晶体管参数是 Qgd，它描述了栅极到漏极切换所需的电荷以及切换关断时间 toff。这两个参数指示了关断能力和损耗，从而指示了工作频率和效率。关断时间 toff 通常不会在晶体管数据表中显示，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计。
Si 和 SiC MOSFET 面临的挑战之一是体二极管反向恢复不完整。除了过载或启动过程中产生的容性负载外，LLC 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，以避免故障。
表 1 总结了物理材料为 GaN、Si 和 SiC 的三种晶体管类型参数。对于 Si SJ MOS，选择了具有本征快速体二极管的硅基 MOSFET。GaN 和 SiC 是一代宽带 隙晶体管更适合高效率、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功率晶体管对于LLC关键参数具有很大优势。Co(tr)、Qgd、toff 和 Qg 的值越低，针对效率和功率密度而设计的 LLC 转换器的性能越好。此外，GaN 功率晶体管具有形成在 AlGaN/GaN 异质结上的横向二维电子气 (2DEG) 沟道，该异质结不具有本征双极体二极管。无体二极管意味着没有 Qrr，这意味着由于 MOSFET 体二极管的存在，不会出现如上所述的硬雪崩操作。
运营及亏损分析
图 4 给出了半桥 LLC 谐振转换器的稳态周期。以下是主要的五种状态，每种状态都附有相应的损失分析：
在状态1，当高侧驱动信号VGSH变低时，初级侧磁化电流ILM开始在死区时间内对低侧晶体管的输出电容进行放电。
在状态 2 下，寄生输出电容完全放电，GaN 功率晶体管通过从源极到漏极的 2DEG 通道在第三象限运行。对于Si和SiC MOSFET，有一个固有的双极体二极管；体二极管将电流从源极传导到漏极，同时栅极的沟道关闭。此时，由于励磁电流的存在，原边存在循环反向导通损耗。该反向传导损耗很大程度上取决于 Co(tr) 的值。较低的 Co(tr) 会导致较短的死区时间，较低的磁化电流会导致较低的反向传导损耗。
在状态3，当驱动信号VGSL为高电平时，晶体管实现ZVS，并且没有开关导通损耗。
在状态 4 下，晶体管导通，并有从漏极到源极的正向电流。该状态下存在传导损耗，该损耗与晶体管的导通电阻 RDS(on) 有关。
在状态5，驱动信号VGSL变低并且晶体管的沟道通过硬开关被关断。由于峰值磁化电流 Ilm_pk，存在电流和电压交叉开关损耗。该损耗取决于晶体管的栅漏电荷 Qgd 和关断时间 toff 的特性。
图 4 中上面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 相关。较低的 Qg 会导致较低的栅极驱动损耗，特别是对于高开关频率。该栅极驱动损耗不可忽视。
LLC 谐振转换器稳态周期的运行和损耗击穿
图 4：LLC 谐振转换器的稳态周期运行和损耗细目
3KW LLC 谐振转换器
根据上述损耗分析，可以通过不同初级晶体管和不同开关频率进行比较，以评估效率和功率密度的表现。设计了具有 48V 输出的3KW半桥 LLC谐振转换器，将性能与两个可比场景进行比较：个是所有三种晶体管类型都在 500KHz 谐振频率下运行，第二个是 500KHz GaN 基 LLC 与 100KHz Si-有限责任公司。主要晶体管是 GaN、Si 或 SiC。初级上的每个开关都并行实施表 1 中的两个晶体管器件。
图 5 显示了所有晶体管在 500KHz 下的 3KW 半桥 LLC 的效率和损耗数据。在 500KHz 下，变压器、电感器和 SR 晶体管等其他组件的损耗细目应该是相同的，主要损耗差异来自初级侧晶体管。尽管LLC转换器可以实现ZVS导通，但由于初级上的磁化电流，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 总损耗比 SiC 低约 20%，比 Si 低 37%。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 钛合金。
500kHz GaN 基 LLC 和 100KHz Si 基 LLC 的 3KW 损耗和效率
图 6：500kHz GaN 基 LLC 和 100KHz Si 基 LLC 的 3KW 损耗和效率
图 6 显示了 500kHz GaN 基 LLC 和 100kHz Si 基 LLC 之间的其他 3KW 比较。在此示例中，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，在500KHz下使用GaN基LLC时，与100KHz下的Si基LLC相比，谐振回路的体积可相对减少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。
