高频高效GaN基有源钳位反激变换器设计

论文总字数：25294字

摘 要

有源钳位反激（ACF）变换器可以利用软开关工作，改进了传统反激电压应力大、变换效率低的问题。将氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料应用到ACF上，是目前高开关频率和高转换效率的变换器的主流方案。

本文从有源钳位反激变换器的工作原理出发，综合阐述了GaN器件在功率器件的理论优势和实际应用，分别介绍了ACF三种工作模式的各自的特点。随后给出了一种高频高效的GaN基有源钳位反激变换器的详细设计，包括电路拓扑，器件选型和参数设计。本有源钳位反激变换器使用同步整流和副边谐振方案，以UCC28780为控制核心。

使用Simplis进行仿真，结果显示变换器具有良好的综合性能，在宽输入条件下能够自适应调节控制模式，使得满载和轻载效率都较高，峰值效率94%以上。根据仿真结果，本文随后给出了一种基于设计电路的PCB版图设计，为高频高效GaN基ACF变换器的设计带来了新方案。

关键词：氮化镓，有源钳位反激，同步整流，副边谐振，UCC28780

Abstract

The active clamp flyback (ACF) converter can work with a soft switch, which solves the problem of conventional flyback about large voltage stress and low conversion efficiency. The application of a wide bandgap semiconductor material represented by gallium nitride (GaN) to the ACF is a mainstream solution for converters with high switching frequency and high conversion efficiency.

Based on the working principle of active clamped flyback converter, this paper comprehensively expounds the theoretical advantages and practical applications of GaN devices in power devices, and introduces the respective characteristics of three working modes of ACF. A detailed design of a high frequency and efficient GaN-based active clamp flyback converter is presented, including circuit topology, device selection and parameter design. The active clamp flyback converter uses synchronous rectification and secondary side resonance schemes, with UCC28780 as the control core.

Simulations using Simplis show that the converter has good overall performance and can adaptively adjust the control mode under wide input conditions, resulting in high full load and light load efficiency, with peak efficiency above 94%. According to the simulation results, this paper then presents a PCB layout design based on the design circuit, which brings a new scheme for the design of high frequency and high efficiency GaN-based ACF converter.

KEY WORDS: GaN, ACF, SR, secondary-resonance, UCC28780

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1有源钳位反激变换器的发展历程 1

1.2 GaN材料在开关电源中的应用 4

1.3 有源钳位反激变换器研究现状 6

1.3.1 拓扑结构优化 6

1.3.2 控制模式优化 7

1.3.3 使用GaN器件优化 8

1.4 本文的主要研究内容 8

第二章 有源钳位反激变换器的工作原理分析与验证 9

2.1 有源钳位反激变换器工作原理分析 9

2.1.1 连续导通模式工作原理分析 9

2.1.2 断续导通模式工作原理分析 14

2.1.3 临界导通模式工作原理分析 17

2.2 有源钳位反激变换器的仿真验证 19

2.3本章小结 23

第三章 GaN基有源钳位反激变换器设计 24

3.1 GaN基有源钳位反激变换器电路拓扑设计与器件选型 24

3.1.1 GaN基有源钳位反激变换器电路拓扑设计 24

3.1.2 GaN基有源钳位反激变换器电路器件选型 24

3.1.3 GaN基有源钳位反激变换器电路主要器件介绍 25

3.2 GaN基有源钳位反激变换器电路主参数设计与仿真 26

3.2.1 GaN基有源钳位反激变换器电路主参数设计方法 26

3.2.2 GaN基有源钳位反激变换器电路仿真 29

3.3 本章小结 34

第四章 PCB版图设计与课题总结 35

4.1 GaN基有源钳位反激变换器电路PCB设计 35

4.2 总结与展望 39

参考文献（References） 40

致 谢 41

第一章 绪论

从上世纪末开始，开关电源技术被广泛应用于家用电器的电源适配器、通信基站等各种电器设备上。随着对更高性能的不断追求，CPU、MCU和DSP等运算处理器设备的功率不断增长，在客观上都要求稳压功率电路更加小型化，具有更高的功率密度和更高的可靠性。

受电源系统持续小型化需求的推动，开关电源的高频功率变换技术成为了当前的研究热点。这是因为更高的开关频率方便和简化了外部滤波电路的设计和制作，从而可以使开关变换器中无源器件的体积、重量大为减小，功率电路因而具有更小的PCB尺寸和更高的功率密度。在传统的硬开关PWM开关电源中，开关管每次切换时都会产生损耗，因此更高的开关频率会直接导致更高的损耗。功率电路中场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）的损耗主要是栅极的密勒电容过充导致的驱动电路损耗和开关管的导通损耗。对于拥有一个高侧FET和低侧FET的开关电源来说，高侧开关管导通期间的损耗也是开关管损耗的重要组成部分。在实际应用中，这些损耗极大限制了传统变换器的开关频率的提升。针对这种情况，从20世纪70年代开始，以谐振开关电源为代表的软开关（Soft-Switching）技术得到了业界广泛的关注和研究。使用软开关拓扑的开关电源的开关电压/电流波形不交叠，不会像传统的硬开关设计那样在高频下面临更大的损耗，从而允许它们在更高频率下工作。软开关技术提高了开关电源的性能并显著降低了外部滤波器组件的大小。

反激（Flyback）变换器以其拓扑简单、低成本的优点，成为中小功率变换器的主流应用。有源钳位反激(Active Clamp Flyback，简称ACF)是一种双开关拓扑结构，其能够实现软开关，并有效利用了漏感能量提升了变换器的效率。采用有源钳位技术的反激变换器可以实现原边功率管的零电压开关（Zero Voltage Switch，简称ZVS）和副边功率管的零电流开关（Zero Current Switch，简称ZCS）[1]，具有功率管电压应力小、效率高、电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）噪声小等优势，因此越来越受到产品设计者和研究者的关注。

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