基於ST MasterGaN1+L6599A的250瓦LLC諧振直流變換器開發板: EVLMG1-250WLLC

EVLMG1-250WLLC參考設計是一個250W諧振轉換器,電路板尺寸是100mm x 60mm,最高元件高度是35mm。EVLMG1-250WLLC是一個400V輸入的電源參考設計,提供一個24V/10A輸出,最高能效超過94%。得益於MasterGaN內部集成的安全功能,變換器輸出有短路和過流保護功能。還具有欠壓保護和輸入電壓監測功能,電壓檢測功能可以在多個DC/DC變換器中實現上電排序,防止電機低壓啟動。電路板的一次側沒有散熱器,並且尺寸非常小。該板由一塊帶有變壓器和主控制器的主板以及兩個小子板組成:一次側的一個子板嵌入MasterGaN1,二次側的另一個子板具有SR控制器SRK2001和MOSFET。高效率和小尺寸使電路板在可用空間有限時非常適合;功率密度為20瓦/英寸^3。在24 Vdc時,輸出功率可達250 W,傳統前端PFC提供的標稱輸入電壓為400 V。該板配有過流、短路、過壓保護和電壓迴路故障保護。集成輸入電壓監控允許LLC轉換器以正確的順序啟動,防止在輸入電壓過低的情況下運行。

該電源變壓器由MasterGaN1驅動,MasterGaN1由一個線性調節器提供6.9 V電壓,由Q1、U1、R3和R6組成。該調節器電壓用於向MasterGaN1 Vcc引腳供電,並通過二極體D2和D3向低壓側和高壓側FET的驅動器供電。控制IC是L6599A,一種專用於諧振半橋拓撲的雙端控制器。它提供兩個具有50%互補占空比的輸出信號,180º異相,在一個開關的關閉和另一個開關的打開之間插入固定的死區時間,允許ZVS操作。

L6599A允許通過R3、R7、R8和C2設置最小和最大工作頻率,引腳STBY允許設置突發模式閾值。為了在正確的輸入電壓下激活LLC級,L6599A通過連接到線路引腳的驅動器R1、R5、R9、R14、R16,監控轉換器輸入電壓,防止輸入電壓過低時工作。附加保護為OCP和輸出電壓迴路故障,由引腳ISEN和DIS管理。

為了實現高效率,電路板在二次側使用同步整流,由SRK2001驅動MOSFET Q501和Q502進行管理。該部分位於輔助側的子板上。主板底部的線性電壓調節器可降低SRK2001的o/p電源電壓。

MasterGaN 1的介紹:

MasterGaN的設計,展示了新款高集成度器件如何提高功率密度、能效,簡化產品設計,縮短上市產品上市時間。利用GaN功率電晶體的高能效,參考設計一次側採用無散熱器設計。此外,GaN電晶體的開關性能出色,工作頻率高於普通矽基MOSFET解決方案,因此可以使用較小的電磁元件和電容,實現更高的功率密度和更低的物料清單成本。

ST的MasterGaN是集成一個STDRIVE半橋柵極驅動器和兩個650V增強型GaN電晶體,目前MasterGaN系列有對稱和非對稱配置的MasterGaN1/2/3/4/5,其中MasterGaN1/4/5是對稱配置集成了兩個上下管內阻一樣的GaN,採用9mm x 9mm的薄型GQFN封裝,封裝內部電路額定電壓最高650V,高低壓焊盤之間的最高爬電距離超過2mm。

MasterGaN1的最大功率可達400W,內阻是150moR,最大額定電流10A。而嵌入式門驅動器的高端可以通過集成自舉二極體輕鬆供電。MASTERGAN1在下部和上部驅動部分均具有UVLO保護功能,防止電源開關在低效或危險條件下工作,聯鎖功能避免交叉傳導條件。輸入引腳擴展範圍允許與微控制器、DSP單元或霍爾效應傳感器輕鬆接口。MASTERGAN1在-40°C至125°C的工業溫度範圍內工作。適用於最高400W的AC/DC電源、DC/DC變換器和DC/AC逆變器應用中的高效軟開關拓撲,包括諧振變換器、有源鉗位反激或正激變換器,以及無橋圖騰柱PFC。

L6599A的介紹:  

L6599A是先前L6599的改進版。它是一種針對串聯諧振半橋拓撲的雙端控制器。它提供50%的互補占空比:高壓側開關和低壓側開關在完全相同的時間內以180°異相的方式接通/斷開。輸出電壓調節是通過調節工作頻率來實現的。在一個開關的關閉和另一個開關的打開之間插入一個固定的死區時間,以保證軟開關並實現高頻操作。


為了使用自舉方法驅動高壓側開關,IC採用了一種能夠承受600 V以上電壓的高壓浮動結構,並配備了一個同步驅動的高壓DMO,以取代外部快速恢復自舉二極體。IC使設計者能夠通過外部可編程振盪器設置轉換器的工作頻率範圍。啟動時,為了防止不受控制的涌流,開關頻率從可編程的最大值開始,並逐漸衰減,直到達到控制迴路確定的穩態值。該頻移是非線性的,以最小化輸出電壓超調;它的持續時間也是可編程的。在輕負載時,IC可能會進入受控突發模式操作,從而將轉換器輸入消耗保持在最小。

IC功能包括一個非鎖存的低激活禁用輸入,具有電流滯後,可用於功率排序或斷電保護;一個用於OCP的電流檢測輸入,具有頻率偏移和延遲關機功能,具有自動重啟功能。如果第一級保護不足以控制一次電流,則更高級別的OCP將鎖定IC。它們的組合提供了完整的過載和短路保護。額外的鎖存禁用輸入(DIS)允許輕鬆實現OTP和/或OVP。提供與PFC控制器的接口,使預調節器能夠在故障條件下關閉,如OCP關閉和DIS high,或在突發模式操作期間關閉。

同步整流IC SRK2001 的介紹:


SRK2001控制器實現了LLC諧振變換器中二次側同步整流的特定控制方案,該變換器使用帶中心抽頭二次繞組的變壓器進行全波整流。它提供兩個大電流柵極驅動輸出,每個輸出能夠直接驅動一個或多個N溝道功率MOSFET。每個柵極驅動器單獨控制,互鎖邏輯電路防止兩個同步整流器MOSFET同時導通。

該控制方案確保每個同步整流器在相應的半繞組開始導通時接通,在其電流降至零時斷開。具有自適應掩蔽時間和自適應關斷邏輯的開啟邏輯允許最大化SR MOSFET的導通時間,消除了對寄生電感補償電路的需要。該設備的低功耗模式允許在輕載和空載條件下滿足最嚴格的變頻器功耗要求。同時需要非常低的外部元器件。

SRK2001的主要特性:
1.關閉時總延遲35納秒
2.VCC工作電壓範圍為4.5 V至32 V
3.為LLC諧振變換器優化的二次側同步整流控制器
4.自適應關斷邏輯
5.低功耗模式:50μA靜態電流
6.每個SR MOSFET的高壓漏源開爾文傳感
7.負荷瞬態、輕負荷和啟動條件的安全管理

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

•使用MarterGaN可縮減4倍空間及減輕3倍重量 •無需要散熱器設計 •DC輸入電壓:400 V ±10% •DC輸出電壓:24V •輸出電流可以達到10.4A •輸出功率可以達到250W • 應用在開關電源,充電器和適配器,工業DC-DC應用,消費類SMPS

►方案規格

•使用MasterGaN1高效緊湊的DC/DC轉換解決方案 •輸出電壓:24 V •輸出功率高達250 W •標稱輸入電壓:400 V+/-10% •效率:>92% •防止短路和過電流的輸出 •輸入電壓監視器,用於D2D轉換器的正確排序和斷電保護 •電路板尺寸:100 x 60(寬x高)mm。最大組件高度:35毫米 •符合WEEE和RoHS標準 •應用:工業DC-DC應用、適配器、消費型開關電源

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