對更小、更緊湊、更高效的旅行適配器不斷增長的需求促使最近的研究活動轉向開發高效和高功率密度的充電器，能夠實現出色的熱管理并保持較低的外殼溫度。對電池快充解決方案的快速發展貢獻最大的公司之一是泰戈爾科技。

Tagore 成立于 2011 年 1 月，在伊利諾伊州阿靈頓海茨和印度加爾各答設有設計中心，是一家無晶圓廠半導體公司，開創了用于射頻 (RF) 和電源管理應用。公司研發團隊專注于開發基于寬帶隙材料的解決方案，能夠應對射頻和電源設計挑戰，加快各種應用的上市時間。

這篇文章是基于與Amitava達斯博士接受記者采訪時泰戈爾科技首席執行官兼聯合創始人，并呈現在2021 IEEE應用電力通過Saikat戴伊，瑪尼布尚雷，Harshit瑞里，拉杰什戈什，泰戈爾的馬尼什·沙阿電子會議和博覽會 (APEC)，是應用電子領域最相關的活動，幾乎于 2021 年 6 月 14 日至 17 日期間舉行。

反激式拓撲比較

活動期間，泰戈爾比較了兩種反激式 DC/DC 轉換器拓撲：準諧振反激 (QRF) 和有源鉗位反激 (ACF) 拓撲，適用于基于 GaN 的 65W USB Type-C 充電器應用。對于功率低于 100 W 的充電器應用和電源適配器，最流行的拓撲是基于 Si MOSFET 的單開關 QRF，它實現了低于 90% 至 91% 的系統效率，低于 10 W/in 的功率密度。³（因為它受到無源鉗位緩沖器損耗的影響）和硬開關損耗（尤其是在 150 kHz 以上的開關頻率下）并且需要龐大的熱管理來散熱。可以通過兩種可能的解決方案來解決此問題。

第一個涉及采用基于 GaN 的 ACF 拓撲，它可以在沒有任何振鈴的情況下鉗位初級開關電壓，并將變壓器泄漏能量回收到輸出，而沒有任何緩沖器損耗。該解決方案可以在更高的開關頻率下運行，同時提供比傳統反激式適配器更高的效率和更高的功率密度。但是，這種設計需要負電流來開啟主開關的 ZVS，這會增加初級 RMS 電流，從而導致變壓器和開關處的傳導損耗以及變壓器中的磁芯損耗更高。

第二種解決方案是基于 GaN 的 QRF 拓撲，與基于 GaN 的 ACF 設計相比，這是一種低成本的解決方案，特別適用于 200 kHz 以下的操作，因為在較高的開關頻率下，開關損耗和緩沖器損耗成為主導.

“在我們的工作中，我們在相同體積下使用 QRF 和 ACF 拓撲設計了兩個這樣的 65W USB PD 充電器，并通過實驗比較了它們的性能，并從理論上計算了這些設計中的功率損耗分布，”Das 說。

QRF拓撲

具有同步整流的 QRF，如圖 1 所示，是一種非連續電流模式或過渡模式反激式，具有谷值開關導通，以最大限度地減少開關導通損耗。RCD 電路鉗位V _SW節點電壓，保護初級開關晶體管S ₁不超過其擊穿電壓，同時耗散存儲在L _{K 中的}泄漏能量。當次級電流下降到零時，存儲在開關節點寄生電容 (C _sw ) 中的能量將與初級電感 (L _m + L _k )形成諧振回路，諧振頻率為：

QRF 控制器將在該諧振周期的第一個谷值瞬間開啟初級 FET，以便在開啟事件期間在_{S1 上}有最小電壓，從而導致最小開關損耗。該轉換器的開關頻率 (F _sw ) 和峰值磁化電流 (I _p ) 取決于輸入工作電壓 V _in和負載 P _in。

圖 1：QRF 拓撲

總開關周期 T _sw可以計算為：

其中 n 是反激耦合電感的初級與次級匝數比；V _in是整流后的交流線路的平均輸入直流母線電壓；V ₀為轉換器輸出直流電壓。

DCM 反激輸入功率關系為：

從 (3)代入 (2) 中的T _sw可以得到初級峰值電流的解：

然后根據 (3) 確定開關頻率，該頻率隨著輸入電壓的增加和負載的減少而增加。

“I _p和 F _sw隨為我們的 65 W 充電器設計的 QRF 轉換器輸出功率的變化清楚地表明，在較輕的負載條件下，F _sw以拋物線性質增加，而 I _p在固定輸入電壓下線性降低，”達斯說。

如果增加開關波谷的階數（即，如果_S1在第二個波谷瞬間而不是第一個波谷開啟），F _sw將以增加的I _p電流為代價降低。

“在我們設計的 65-W QRF 轉換器中，控制器負責谷值切換的轉變，以保持最佳的系統效率，”Das 說。

ACF拓撲

該轉換器（如圖 2 所示）是 QRF 的改進版本，具有連續電流傳導功能。

ACF 轉換器的輸入功率可計算為：

其中，I _m+是流經 L _m的磁化電流的正峰值，L _m-是負峰值，負責 S ₁的 ZVS 導通，可以寫成：

其中 C _sw是總開關節點電容；n 是反激耦合電感的初級與次級匝數比；V _in是整流輸入交流線路的平均輸入直流母線電壓；V _out為轉換器輸出直流電壓。?

圖 2：ACF 拓撲

在 ACF 轉換器中，開關頻率和正峰值磁化電流的變化與 QRF 類似，但 F _sw和 I _{m+ 的}關系略有不同。開關周期可以表示為：

T _m-是 L _m和 C _sw之間諧振時間周期的四分之一，而 V _sw節點達到 0 V，可以寫為：

?使用（5）和（7），我們可以推導出F _sw和I _m+與轉換器輸出功率（P _out）的關系。

比較結果

對于 20V 輸出和 115V 交流輸入的轉換器，已經獲得了整個負載范圍內的總功率損耗和測得的效率，如圖 3 所示。

圖 3 中顯示的比較效率表明，在高達 45W 的輸出功率時，QRF 比 ACF 更有效，超過該功率時，ACF 充電器的效率占主導地位。

從 115 VAC 輸入的損耗分析數據來看，在最高負載條件下，ACF 轉換器因其眾所周知的優勢而具有更高的效率，但隨著輕負載條件下F _{sw 的}增加，QRF 提供了更高的效率。

圖 3：不同負載下的效率

“為了驗證估計的效率數據，我們設計并制造了兩個 65W USB PD 適配器原型，用于使用 QRF 和 ACF 拓撲進行測試，實現了大約 35 W/in 的功率密度。每種情況下^{3 個}，”達斯說。

兩個轉換器（圖 4）均基于來自泰戈爾科技的 650V e-mode GaN 功率 IC TP44400NM，其 R _DS(on)為 360 mΩ。最近，泰戈爾推出了 TP44200NM，這是一款具有集成驅動器 IC 的 650V GaN 功率 FET，采用緊湊的 22 引腳、5 × 7 毫米 QFN 封裝。新器件提供180 mΩ 的低 R _DS(on)和快速開關，以小尺寸提供高效、低成本的電源解決方案，適用于需要高功率密度的各種應用，包括 USB-PD 充電器、服務器和電信AC/DC 電源和功率因數校正轉換器。

基于 GaN 的 QRF 或 ACF 充電器設計實現了比硅對應物更高的效率和更小的系統尺寸。

圖 4：開發的硬件原型