GaN HEMT在高频软开关LLC应用中的工作性能
与Si MOSFET相比，GaN HEMT具有显著降低的栅极电荷（Qg）和输出电容（Coss），能够有效降低驱动损耗并缩短导通/关断周期。因此，GaN HEMT在LLC谐振变换器等高频软开关谐振拓扑应用中具有明显优于Si MOSFET的性能。
为了进一步了解GaN在高频软开关谐振变换器中的潜在优势，我们将GaN HEMT与传统Si MOSFET的关键参数进行了比较，在这里选择了GaN Systems GS55504B以及与其具有相近RDS(ON)值的有源Si MOSFET（IPx65R110CFD和IPP60R105CFD7）进行比较，表1中给出了3者的VDS、RDS(ON)、QG、CO (ER) 及 CO (TR)等关键参数对比。
表1 QG、COSS等关键参数对比
A. GaN HEMT的Qg性能优势
如图1所示，与IPx65R110CFD相比，GS55504B的栅极电荷（Qg）显著降低，进而降低驱动损耗。图2给出了器件在不同开关频率下栅极驱动损耗的比较，可以看出随着开关频率的增加，两种器件之间的损耗差异显著增加，从而验证了GaN HEMT在高开关频率下的性能优势。
图1 Qg对比
图2 栅极驱动损耗对比
B. GaN HEMT的Coss性能优势
Si MOSFET的Coss在低电压下呈现为高度非线性。图3和图4分别比较了GaN HEMT和Si MOSFET的Coss与Coss能量，可以看出GaN HEMT具有显著降低的Coss及Coss能量，能够有效缩短导通/关断时间。GaN HEMT的这个特性允许其实现死区时间更短和开关频率更高的运行，如图5所示。
图3 Coss对比
图4 Coss能量对比
图5 Coss在关断时的充电时间对比
C. GaN在LLC谐振变换应用中的性能优势
图6为基于GaN HEMT的半桥LLC变换器设计原理图。对于工作在低于谐振区域及谐振点的LLC谐振变换器而言，初级侧半桥开关S1和S2总是能够安全地开通而不会产生开关损耗（零电压开关）。功率开关器件产生的总损耗由3部分组成：1）栅极驱动损耗（由Qg决定）；2）导通损耗（取决于RDS(ON)）；3）关断损耗（由Coss决定）。GS55504B拥有前面分析得出的GaN HEMT应用于高频软开关频率LLC变换器时优于Si MOSFET的3个优点。
图6 基于GaN 的半桥LLC变换器
如表2所示，LLC变换器的设计规格采用了在两级适配器系统应用中的主流参数，其中LLC谐振回路主要参数如表3中所示。
用于高功率密度LLC谐振变换器的3-D PCB结构解决方案
A. 3-D结构概念
为了进一步提高基于GaN HEMT的LLC变换器样机功率密度，在这里应用了“3-D PCB”结构概念，其中所有有源开关器件、功率二极管和MCU等都安装在PCB子卡上。
B、具体实施
整个LLC系统的PCB设计由以下4部分组成：
1) PCB板#1
初级侧半桥电路子卡的具体尺寸为32 mm×19 mm，该子卡带有2个GaN HEMT（GS66504B）及其自举驱动电路。由于GS66504B是底部散热器件，因此在PCB底部安装了一个17 mm×17 mm的方形散热器用于GS66504B的冷却散热。
图7 初级侧半桥电路子卡PCB布局（上图）及实物照片（下图）
2) PCB板#2
带有外围电路的初级侧数字控制子卡尺寸为26 mm×20 mm，该部分采用数字控制解决方案，将输出电压调节、OVP和OCP等功能集成到低成本MCU（Microchip DSPIC33FJ06GS202A）中。
图8 初级侧数字控制子卡PCB布局（上图）与实物照片（下图）
3) PCB板#3
次级侧同步整流电路子卡尺寸为20 mm×17 mm，所有元器件均仅在顶侧焊接，在PCB底部安装了一个20 mm×20 mm的方形散热器用于4个同步整流用MOSFET（2×2并联）的冷却散热。
图9 次级侧同步整流电路子卡PCB布局（上图）与实物照片（下图）
4) PCB板#4
图10中为带有输入电容、输出滤波器和集成变压器的尺寸为69 mm×34 mm的母板，母板上的3个插槽分别用于PCB板＃1、PCB板＃2及PCB板＃3的插入连接。
图10 母板PCB布局（上图）与实物照片（下图）
C. LLC变换器样机及其功率密度
完成后的LLC变换器样机及其尺寸如图11所示，其中所有散热器都连接到子卡的底部，对PCB板＃1与PCB板＃3上的底部散热型器件（如GS66504B）的散热非常有效。公式（1）与公式（2）中分别给出了样机体积及其功率密度的计算结果。
图11 基于GaN HEMT设计的LLC谐振变换器样机
高频LLC变换器样机在50%负载和满负载下运行的主要实验波形分别如图12和图13所示。
图12 样机在50%负载下运行的实验波形（Vin=400 V、Vout=19 V、Io=5 A、Po=95 W及fs=623 kHz）
图13 样机在100%负载下运行的实验波形（Vin=400 V、Vout=19 V、Io=10 A、Po=190 W及fs=623 kHz）
如图14所示，对样机在不同负载下的运行效率进行了测试，其中这部分不包括辅助绕组的功率损耗。在50%负载（95W）下样机峰值效率达到96.1%，而在100%负载（190 W）时的效率为95.6%。
图14 样机在不同负载下的运行效率（Vin=400V、Vo=19V及Io=1 A（19 W） ~10 A（190 W））
结论
相对Si MOSFET，GaN HEMT具有低Qg、低RDS(ON) 及低COSS等优异品质因数，能够使LLC等谐振变换器在600 kHz以上的高开关频率下工作，并可以采用由高频磁性材料制成的较小磁芯来增加功率密度。此外，借助3-D PCB结构以及组合式数字控制解决方案，我们实现了完整的400 VDC-19 VDC的样机系统设计，其功率密度为63 W/inch3且峰值效率达到96.1%。
作者：Yajie Qiu，GaN Systems高级电力电子应用工程师