选择 NTMT064N65S3H 超结 MOSFET 作为慢速桥臂组件 SRL1 和 SRL2，其 RDS(ON) 典型值为 52 mΩ。考虑到 RDS(ON) 会随温度而变化，我们可以假设两个 RDS(ON) 为 100 mΩ。使用分段近似法计算电感 RMS 电流为 5.22 A。SRL1 和 SRL2 的总损耗为 2.8 W，由两个器件分担—每个器件仅导通半个周期。所以每个器件的损耗是 1.4W。使用 Power88 封装时，假定 RTHJA 为 50 K/W，则引起的温升约为 70°C。 两个超结 MOSFET 由 NCP5183 驱动器驱动，SRL1 位于高压侧，SRL2 位于低压侧。请注意因为功率器件为 50 Hz 或 60 Hz 的低开关频率，自举驱动器需要一个 2.2 F 的电容。 选择 NCP59821 集成 GaN 驱动器器件，作为组件 S1 和 S2。这些器件包括一个 GaN 驱动器 + GaN HEMT。GaN HEMT 的 RDS(ON) 为 50 mΩ。RDS(ON) 会随着温度升高而增加，因此我们使用 100 mΩ 进行损耗计算。使用分段近似法计算 GaN HEMT 顺向和反向 RMS 电流，分别为 4.45 A 和 2.73 A，RMS 平均值为 3.69 A。 GaN 的主要优势是开关损耗低至可忽略不计。因此，快速开关器件的总损耗仅为每个器件 1.36 W。 使用 NCP51530 接面隔离式栅极驱动器作为电平转换器，并为集成 GaN 驱动器提供信号。可将它看作是 NCP5183 的高速版本，适合高频工作。NCP1680 的高压侧和低压侧驱动输出在馈入 NCP51530 之前，先经过 10Ω/100 pF 低通滤波器滤波。 让我们来看一下 NCP1680 的检测输入。两个输入用于交流线路检测、一个输入用于电流检测、一个输入用于输出电压检测、一个输入来自升压电感器的辅助绕组并用于准确检测波谷。AC 线路的检测输入由 100 kΩ 和 9.9 MΩ 的电阻分压器组成，按照数据手册的建议，分压系数为 100。通常建议将高压电阻分成串联电阻，以满足爬电距离和安全要求。1 nF 电容可过滤引脚上的噪声。 NCP1680AA 的推荐电流检测电阻值为 100 mΩ。不同版本的 NCP1680 会有不同的电流检测阈值，因此需要对该值进行调整。值越大，损耗越大，但抗噪声能力越强。该电阻在低输入电压线路的功耗相对总损耗的贡献约为 5-6%。 升压电感的辅助绕组用于检测波谷，匝数比为 7:1。配备了一个 10k 串联电阻用于限流，还有一个 470k 下拉电阻。肖特基二极管提供反向电压保护。 PFC 输出电压分压器的高压侧电阻设置为 10.9 MΩ。该值越小，抗噪声能力越高，但功耗越大。通常建议将高压电阻分成串联电阻，以满足爬电距离和安全要求。分压器设置所需的输出电压，根据参考文献[1]，低压侧使用 68 kΩ 的电阻可提供 403 V 的输出电压。并且需要一个具有 5 kHz 截止频率（10 kHz 采样频率）的抗混迭滤波器，参考应用使用一个 1 nF 的电容。 图8 显示了 300 W 超高密度电源中使用的 LLC 级。S1 和 S2 构成一个半桥。谐振桥由三个组件构成：电感 Lr、电容 Cr 以及匝数比为 n 且具有大磁化电感 Lm 的变压器。变压器的中心抽头输出连接到两个 MOSFET、输出电容和负载。
图 8. 具有中心抽头半桥输出级的半桥 LLC 谐振转换器此拓扑结构具有 Q1 和 Q2 的零电压开关特性。图9 显示了 QUP (S1) 两端的电压和流经 QUP 的电流模拟波形。当漏极电流为负时 QUP 导通，因此会有反向导通电流，这意味当器件为硅 MOSFET 或 SiC MOSFET 时，该器件的体二极管将被导通。与大约 400 V 的 VBUS 电压相比，电压转换过程中只有几伏电压，因此消除了 EON 开关损耗。
图 9.LLC 波形应用笔记 AN-9738 [3] 对 LLC 转换器的低频增益特性进行推导。增益取决于 Lr、Lm、Cr、n 和负载 Ro。利用[3] 中的公式，我们绘制了 300 W 超高密度电源的低频增益特性，如图10 所示。
图 10. 300 W UHD 电源中 LLC 电路的理论增益-频率曲线这些曲线图显示 LLC 转换器在不同负载下的增益。在我们的设计中，100% 负载为 300 W。该曲线图显示增益随频率而降低，此为零电压开关的要求：电流过零迟于电压过零。 LLC 存在两个谐振频率。在我们的范例中，[3] 中定义的谐振频率 fo 是增益为 1 时的频率，为 442 kHz。[3] 中描述的谐振频率 fp 是空载曲线的峰值，负载增加时该峰值的值会降低。如果器件工作在增益随频率增加的情况下，则会出现硬开关和回馈信号反向的现象，如果谐振回路设计得当，控制器本身可以防止这种情况发生。 300 W 高功率密度板操作于谐振频率以上。返回图7，LLC 控制器有一组高压启动电路，用于启动时为控制器供电。一旦控制器开始工作，变压器上的辅助绕组会为器件供电并停止高压启动电流源，直到再次需要时启用。当 AC 断电时，它会帮 EMI 滤波器中的 X 电容放电，这意味着不需要额外的电阻为该电容放电，从而节省了待机功率。 NCP13994 控制器[4] 集成了高压半桥驱动器，因此无需外部驱动器或电平转换器。高压侧驱动器带有一个可以优化的外部自举电路。该 LLC 控制器可驱动两个 GaN HEMT 器件，有助于提高电路板的效率。 此 LLC 控制器为电流模式 LLC 控制器—CS 通过谐振电容上面电容分压器的电压检测初级侧电流。由于电流波形可能有不同形状，实际过程是在开关周期内对电流波形进行积分，并测量该周期内的电荷。电流模式控制可实现出色的动态响应，并针对每个脉冲达到限流功能。NCP13994 数据手册、NCP4390 控制器应用笔记[5] 和 3 kW LLC 功率研讨会白皮书更详细地阐述了电流模式控制运行。LLC CS 和 LLC FB 引脚用于监控谐振电流和输出电压的隔离信号，以实现这种电流模式控制。 FB FREEZE 和 SKIP 引脚设置 SKIP 工作模式的阈值，以确保轻负载时的良好效率。与 NCP1680 一样，NCP13994 也有一个外部过热保护引脚。 使用图腾柱 PFC 和 GaN HEMT 之后的第三个方法是使用同步整流。两个 NCP4306 同步整流控制器分别驱动两个并联的 NTMYS3D3N06CL LFPAK 60 V 3 mΩ MOSFET。控制器检测 MOSFET 上的电压并在导通时将其打开。低寄生电感对于防止过早关断至关重要，因为过早关断会降低效率。NCP4306 具有最小导通时间和最小关断时间设置，以及一个定时器以支持轻载和中等功率 LLC 工作——详细说明请参阅 NCP4306 资料手册[6]。 有关电源性能的更多详细信息，请参阅我们的电源研讨会演示文稿[7]。整体设计符合 134 mm x 62 mm x 18 mm 的最小外形尺寸。它在宽功率范围内具有出色的效率表现，另外低于170 mW 待机功耗适合该功率范围应用，所以是一个无需辅助电源的理想解决方案。
图 11.300W 电源性能总结 |
