凭借具有更高功率，较小尺寸和较高效率的清晰趋势，高频LLC谐振转换器是行业中孤立的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数据中心数据中心电源（PSU），以及用于电动机电脑的多功能电源单元（PSU）和电型电脑（OBC）。图1显示了半桥LLC共振转换器的拓扑，其开关频率为100kHz和500kHz。在较高的频率下，很明显，被动谐振箱的大小（例如变压器，谐振电感器和谐振电容器）大大降低，从而提高了功率密度。
此外，需要考虑选择功率晶体管（Q1和Q2）以权衡效率和功率密度。 GAN Power Transistors已成为一种经过验证的晶体管技术，在市场上确立了自己的位置，但在软转换应用中通常不考虑。在硬开关应用程序中使用GAN显示出显着提高效率，但软转换转换器（例如LLC）的效率和频率的提高也可能同样引人注目。
图1：Half Bridge LLC共振转换器在100kHz和500kHz
在本文中，讨论了与SI SJMO和SIC MOS晶体管相比，商用GAN功率晶体管的好处用于软转换LLC共振转换器。进行了晶体管选择和比较的分析方法。考虑了晶体管参数，例如与时间相关的输出有效电容（CO（TR））和关闭能量（EOFF）等，这会影响有限责任公司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。
主要晶体管选择
LLC由于其完整的谐振行为而具有多个好处，可以在整个范围内进行软切换的转机，这本质上有助于地减少功率晶体管和磁性组件的损失。在图2中，LLC主要侧电流ILR由次级电流的叠加组成，除以变压器的转换比N和磁化电流ILM。磁化电流不会转移到输出，而是需要放电晶体管的寄生输出电容，以及变压器内部磁内和跨界电容的组合，因此可以实现透视转换的零电压切换（ZVS）而无需切换转盘损失。一方面，为了实现ZVS的转折，应在每个死亡时间内使用此磁化电流来完全放电晶体管的寄生输出电容。另一方面，磁化电流将在死亡时间内对初级造成额外的循环损失。因此，化磁化电流是改善LLC转换器的目标。
Half Bridge LLC共振转换器的主要电流和电压波形
图2：半桥LLC谐振转换器的主要电流和电压波形
Half-Bridge LLC的ZVS成就条件的死时间可以从等式（1）得出。在这里，LM是主变压器和FS的磁性电感是开关频率。从公式（1）中，晶体管参数CO（TR）描述了将排水管转换为被动源电压所需的输出电容，这是高效率和高密度LLC转换器的关键参数。有效CO（TR）的值越低，对于给定排水机到源过渡时间所需的磁化电流较小，这允许变压器和较短的死时间的磁化电感值更高，这又降低了主要侧的循环损失。同时，对于给定的LM和TDEAD，有效CO（TR）的较低值，可以在ZVS条件下使用较高的开关频率fs以使其密度更高。
\ [t_ {deadmin} = 16 \ cdot c_ {o（tr）} \ cdot l_ {m} \ cdot f_ {s} \]
这种有效的电容CO（TR）可以通过输出电荷QOSS得出，该输出电荷QOSS具有QOSS的关系方程=∫0VDS Coss（V）DV和CO（TR）= CO（TR）/V。图3用VDS的电压绘制了QOSS。对于从400V到0V的VDS电压过渡，SI SJMO的CO（TR）通常比GAN高10倍，并且SIC的CO（TR）高50％（TR）。
Qoss vs VDS曲线具有不同的晶体管（GAN，SI和SIC）
图3：具有不同晶体管（GAN，SI和SIC）的Qoss vs VS曲线
QGD的另一个重要的晶体管参数是QGD，它描述了门排放开关和开关关闭时间TOFF所需的电荷。这两个参数显示了关闭能力和损失的指示，因此具有的工作频率和效率。通常在晶体管数据表中未显示关闭时间TOFF，但可以根据给定的开关电压和当前条件估算参考书[1]。
SI和SIC MOSFET的挑战之一是身体二极管反向恢复不完全。除了电容负载外，由过载或启动期间产生的是，由于身体二极管不完全的二极管反向恢复了llc的功率MOSFET的潜在可靠性问题[2]。车身二极管的现有反向恢复电荷QRR将产生高的DV/DT，并且大型射击电流将流过桥接的晶体管，这可能会导致MOSFET分解。因此，QRR参数是验证硬性换向失败模式的风险，因此较低的QRR越好以避免故障的风险。
表1用GAN，SI和SIC的物理材料总结了三个晶体管类型参数。对于SI SJ MOS，选择了具有内在快速身体二极管的基于SI的MOSFET。 GAN和SIC是一代的 带隙晶体管，更适合于高效率和高密度的功率转换。如表中所示，与SI和SIC相比，具有相似RDS（ON）的GAN功率晶体管对LLC关键参数具有很大的好处。 CO（TR），QGD，TOFF和QG的较低值是为效率和功率密度而设计的LLC转换器的更好性能。此外，GAN功率晶体管具有横向的二维电子气体（2DEG）通道，该通道在没有固有的双极体二极管的Algan/Gan异质结上形成。无体二极管意味着没有QRR，这意味着由于MOSFET的身体二极管存在，因此没有上述硬雪崩操作。
操作和损失分析
图4给出了半桥LLC共振转换器的稳态循环。以下是主要五个州，每个州都有其随附的损失分析：
在状态1时，当高侧驱动信号VGSH较低时，主要侧面磁化电流ILM开始在死时间内排出低侧晶体管的输出电容。
在状态2处，寄生输出电容已完全放电，而GAN功率晶体管则通过2DEG通道从源到排水管进行第三次象限操作。至于SI和SIC MOSFET，有一个内在的双极体二极管。车身二极管将通过关闭门的通道进行从源到排水的电流。在这种状态下，由于存在磁化电流，主要侧的反向传导损失。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）导致较短的死亡时间，而降低磁化电流导致较低的反向传导损失。
在状态3时，当驾驶信号VGSL高时，晶体管就可以实现ZVS，并且没有开关的转交损失。
在州4处，晶体管以从排水到源的向前电流打开。在这种状态下有传导损失，与晶体管的状态电阻RD（ON）有关。
在状态5处，驱动信号VGSL较低，并且晶体管的通道通过硬开关关闭。由于峰值磁化电流ILM_PK，因此有一个电流和电压交叉切换损耗。这种损失取决于晶体管的特征，以耗尽电荷QGD并关闭Time Toff的特征。
图4中未提到的另一个损失是栅极驱动损失，该损失相对于晶体管的门电荷QG。较低的QG导致较低的门驱动损失，尤其是对于高开关频率。此门驱动器损失可能不会被忽略。
LLC谐振转换器的操作和稳态周期的损耗故障
3KW LLC共振转换器
根据上述损失分析，可以与不同的主要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。设计了具有48V输出的3kW Half-bridge LLC共振转换器，将性能与两个可比的方案进行了比较：种是所有三种晶体管类型均以500kHz共振频率运行，第二个晶体管类型为500kHz GAN GAN基于LLC，对基于100kHz SI的LLC。主要晶体管是gan，si或sic。主上的每个开关都从表1并行实现了两个晶体管设备。
图5：3kW 500kHz LLC共振转换器的损失和效率与GAN与SI和SIC
图5说明了3kW Half Bridge LLC的效率和损失数据，所有晶体管均为500kHz。对于500kHz，其他组件（例如变压器，电感器和SR晶体管）的损耗被认为是相同的，关键损耗差异来自主要侧晶体管。尽管LLC转换器可以实现ZVS的转机，但转换损耗仍然存在，而主要的磁化电流在主要时，尤其是当开关频率增加到500kHz时。这些关闭损失不能忽略。与GAN相比，SI和SIC主要的损失是切换损失，而SI的切换损失比GAN高六倍，而SIC的切换损失是GAN的转换损失的四倍。此外，与SI和SIC相比，GAN基于GAN的LLC的驱动损失要小得多。总体结果表明，基于GAN的LLC的总损失比SIC低约20％，总损失比SI低37％。终，基于GAN的LLC实现了高效率，并且这种提高的效率提供了满足或超过工业系统要求的增量性能，例如，用于电信AC/DC PSU的80plus Titanium。
基于500kHz GAN的LLC和100KHz SI的LLC的3kW损失和效率
图6显示了基于500kHz GAN的LLC和100KHz SI 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，与基于GAN的LLC在500kHz处，与100kHz的Si-Base LLC相比，共振罐的体积相对降低了64％。总体而言，对于3kW LLC转换器，具有500kHz的基于500kHz的ganbas溶液的体积比SI基于SI的体积小2.2倍。
结论
LLC共振转换器的此研究显示了GAN功率晶体管具有明显的性能优势。从效率和功率密度的角度来看，具有CO（TR），QGD，TOFF和QG的GAN功率晶体管是LLC拓扑的选择。此外，没有GAN和零QRR的身体二极管使系统更加可靠，从而避免了严重的换向故障损害。总而言之，与SI和SIC晶体管的LLC拓扑应用相比，GAN在效率和功率密度方面具有更高的价值。
