作為減少電子垃圾數量倡議的組成部分，歐盟要求開發一種基于USB-C標準的小型通用充電設備，需要適用于所有類型的可攜帶設備，如電動自行車、移動設備和功能更加強大的便攜式計算機等，所有這些設備都需要定期快速充電。這種設備裝置需要滿足范圍廣泛的輸出電壓，能夠在世界各地所有類型電源電壓下工作，并具有足以同時對多個設備進行充電的高額定功率。這種要求將使USB-C充電器的功率水平從65 W上升到240 W。在該功率水平上進行功率因數校正（PFC），實現較高功率密度，同時能夠在寬電壓范圍內保持電壓調節，這些都變得越來越具有挑戰性。氮化鎵高電子遷移率（GaN HEMT）器件被認為是實現高功率密度的重要潛在技術。因此，英飛凌科技很早之前就著手研究GaN HEMT是否能夠兌現這些承諾，為下一代充電應用提供所需的功率密度水平。在本文中，我們將討論英飛凌科技采用的技術以及研發成果。

應對挑戰

這種新型充電器設計面臨著多種挑戰，除PFC外，還包括寬范圍的輸入（90～265 VRMS ）和輸出電壓（5～48V），并需要以高功率密度外形提供兩個獨立USB-C輸出端口。實現高功率密度尤其具有挑戰性，因為熱量只能通過自然對流和輻射從充電器中消除。圖1顯示為所需工作效率與功率密度的關系曲線和一個240W充電器的設計規范。為了保持最高70℃的表面溫度和最大功率密度，要求設計效率至少達到96%。

選擇拓撲架構

為了幫助確定設計的最佳拓撲架構，可以采用不同的控制和隔離功能選項。對于PFC（整流器）級，需要考慮降壓、升壓和降壓-升壓型PFC拓撲。升壓PFC提供的直流鏈路電壓高于峰值電網電壓，但降壓PFC級提供的較低電壓則可以簡化后續DC/DC級設計。然而，在單相系統中使用降壓轉換器的一個缺點是，它有不連續的電流輸入，這會產生電網側不可接受的諧波，特別是在較低電壓更為嚴重，因此不能使用降壓轉換器。DC/DC轉換器要求進行電流隔離，以提供更安全運行，并允許獨立控制兩個USB-C端口中的每一個。這可以通過多種方式實現。一種選擇是采用混合反激（HFB）DC/DC轉換器，然后通過兩個降壓轉換器，提供同步隔離和調節。或者，通過使用具有固定轉換比的“DC變壓器”（DCX）轉換器，第一級DC/DC轉換可用于僅提供隔離（無調節）。第三種方法是使用兩個隔離和調節轉換器（如HFB），每個輸出端口一個。但是，這種方式無法提供所需的功率密度水平，因為它需要兩個變壓器，每個變壓器的額定功率為轉換器的全部功率。

USB充電解決方案及其性能

使用詳細的多目標（效率與功率密度）帕累托優化方式，在充分考慮這些不同方法的相對優缺點之后，可以選擇了一個2x交錯圖騰極點PFC，帶升壓跟隨器（boost-follower）調制，并結合有一個DCX和兩個后續降壓級（參見圖2）。

通過在每個橋臂（即有效值800 kHz）以固定開關頻率（400 kHz）連續導通模式（CCM）下運行，并結合較小的升壓電感值，PFC級能夠在所有負載和輸入rms電壓條件下的整個線路周期內實現零電壓開關（ZVS）。這種模式會在升壓電感和開關中產生較大的紋波電流，因此使用了兩個交錯的高頻橋臂，該模式具有下列優點。首先，為了實現零電壓開關，電橋每個橋臂的平均電流為PFC總電流的50%，這將每個電感器所需電流紋波減小了一半。其次，橋臂相移180°導致EMI濾波器的有效開關頻率加倍，這降低了要求濾波器提供的衰減水平，因此，EMI濾波器可以做得更小。最后，由于功率損耗分布在更多組件上，所以不會出現集中發熱點。

DCX轉換器在425kHz的諧振頻率下工作，并且僅通過使用ZVS過渡的磁化電流來實現ZVS（與負載無關）。選擇變壓器的匝數比（5.6:1），以便300～400V的直流鏈路電壓范圍能夠映射到降壓級的輸入電壓范圍（52～71V）。這使得能夠在DCX級和兩個輸出降壓級中使用額定100V的肖特基柵極（SG）GaN HEMT器件作為同步整流器。

結論

GaNHEMT器件能夠在高開關頻率下執行軟開關和硬開關，其特性允許使用高級拓撲、調制和控制方案。因此，這種240W USB-C充電器設計能夠在90Vrms輸入和48V輸出的滿載運行情況下實現95.3%的總體系統效率。系統的功率密度為42 W/in3（無外殼），比現有硅基充電器的功率密度高出約2倍。這些結果表明，GaN HEMT器件能夠很好地滿足下一代寬輸入/輸出電壓范圍、高功率密度USB-C充電器的設計要求。