基于ST MasterGaN1+L6599A的250瓦LLC谐振直流变换器開發板: EVLMG1-250WLLC

EVLMG1-250WLLC参考设计是一个250W谐振转换器,电路板尺寸是100mm x 60mm,最高元件高度是35mm。EVLMG1-250WLLC是一个400V输入的电源参考设计,提供一个24V/10A输出,最高能效超過94%。得益于MasterGaN內部集成的安全功能,变换器输出有短路和过流保护功能。还具有欠压保护和输入电压监测功能,电压检测功能可以在多个DC/DC变换器中实现上电排序,防止电机低压启动。电路板的一次侧没有散热器,并且尺寸非常小。该板由一块带有变压器和主控制器的主板以及两个小子板组成:一次侧的一个子板嵌入MasterGaN1,二次侧的另一个子板具有SR控制器SRK2001和MOSFET。高效率和小尺寸使电路板在可用空间有限时非常适合;功率密度为20瓦/英寸^3。在24 Vdc时,输出功率可达250 W,传统前端PFC提供的标称输入电压为400 V。该板配有过流、短路、过压保护和电压回路故障保护。集成输入电压监控允许LLC转换器以正确的顺序启动,防止在输入电压过低的情况下运行。

该电源变压器由MasterGaN1驱动,MasterGaN1由一个线性调节器提供6.9 V电压,由Q1、U1、R3和R6组成。该调节器电压用于向MasterGaN1 Vcc引脚供电,并通过二极管D2和D3向低压侧和高压侧FET的驱动器供电。控制IC是L6599A,一种专用于谐振半桥拓扑的双端控制器。它提供两个具有50%互补占空比的输出信号,180º异相,在一个开关的关闭和另一个开关的打开之间插入固定的死区时间,允许ZVS操作。

L6599A允许通过R3、R7、R8和C2设置最小和最大工作频率,引脚STBY允许设置突发模式阈值。为了在正确的输入电压下激活LLC级,L6599A通过连接到线路引脚的驱动器R1、R5、R9、R14、R16,监控转换器输入电压,防止输入电压过低时工作。附加保护为OCP和输出电压回路故障,由引脚ISEN和DIS管理。

为了实现高效率,电路板在二次侧使用同步整流,由SRK2001驱动MOSFET Q501和Q502进行管理。该部分位于辅助侧的子板上。主板底部的线性电压调节器可降低SRK2001的o/p电源电压。

MasterGaN 1的介绍:

MasterGaN的设计,展示了新款高集成度器件如何提高功率密度、能效,简化产品设计,缩短上市产品上市时间。利用GaN功率电晶体的高能效,参考设计一次侧采用无散热器设计。此外,GaN电晶体的开关性能出色,工作頻率高于普通硅基MOSFET解決方案,因此可以使用较小的电磁元件和电容,实現更高的功率密度和更低的物料清单成本。

ST的MasterGaN是集成一个STDRIVE半桥栅极驱动器和两个650V增强型GaN晶体管,目前MasterGaN系列有对称和非对称配置的MasterGaN1/2/3/4/5,其中MasterGaN1/4/5是对称配置集成了两个上下管内阻一样的GaN,采用9mm x 9mm的薄型GQFN封裝,封裝內部电路额定电压最高650V,高低压焊盘之间的最高爬电距离超過2mm。

MasterGaN1的最大功率可达400W,内阻是150moR,最大额定电流10A。而嵌入式门驱动器的高端可以通过集成自举二极管轻松供电。MASTERGAN1在下部和上部驱动部分均具有UVLO保护功能,防止电源开关在低效或危险条件下工作,联锁功能避免交叉传导条件。输入引脚扩展范围允许与微控制器、DSP单元或霍尔效应传感器轻松接口。MASTERGAN1在-40°C至125°C的工业温度范围内工作。适用于最高400W的AC/DC电源、DC/DC变换器和DC/AC逆变器应用中的高效软开关拓扑,包括谐振变换器、有源钳位反激或正激变換器,以及无桥图腾柱PFC。

L6599A的介绍:  

L6599A是先前L6599的改进版。它是一种针对串联谐振半桥拓扑的双端控制器。它提供50%的互补占空比:高压侧开关和低压侧开关在完全相同的时间内以180°异相的方式接通/断开。输出电压调节是通过调节工作频率来实现的。在一个开关的关闭和另一个开关的打开之间插入一个固定的死区时间,以保证软开关并实现高频操作。


为了使用自举方法驱动高压侧开关,IC采用了一种能够承受600 V以上电压的高压浮动结构,并配备了一个同步驱动的高压DMO,以取代外部快速恢复自举二极管。IC使设计者能够通过外部可编程振荡器设置转换器的工作频率范围。启动时,为了防止不受控制的涌流,开关频率从可编程的最大值开始,并逐渐衰减,直到达到控制回路确定的稳态值。该频移是非线性的,以最小化输出电压超调;它的持续时间也是可编程的。在轻负载时,IC可能会进入受控突发模式操作,从而将转换器输入消耗保持在最小。

IC功能包括一个非锁存的低激活禁用输入,具有电流滞后,可用于功率排序或断电保护;一个用于OCP的电流检测输入,具有频率偏移和延迟关机功能,具有自动重启功能。如果第一级保护不足以控制一次电流,则更高级别的OCP将锁定IC。它们的组合提供了完整的过载和短路保护。额外的锁存禁用输入(DIS)允许轻松实现OTP和/或OVP。提供与PFC控制器的接口,使预调节器能够在故障条件下关闭,如OCP关闭和DIS high,或在突发模式操作期间关闭。

同步整流IC SRK2001 的介绍:


SRK2001控制器实现了LLC谐振变换器中二次侧同步整流的特定控制方案,该变换器使用带中心抽头二次绕组的变压器进行全波整流。它提供两个大电流栅极驱动输出,每个输出能够直接驱动一个或多个N沟道功率MOSFET。每个栅极驱动器单独控制,互锁逻辑电路防止两个同步整流器MOSFET同时导通。

该控制方案确保每个同步整流器在相应的半绕组开始导通时接通,在其电流降至零时断开。具有自适应掩蔽时间和自适应关断逻辑的开启逻辑允许最大化SR MOSFET的导通时间,消除了对寄生电感补偿电路的需要。该设备的低功耗模式允许在轻载和空载条件下满足最严格的变频器功耗要求。同时需要非常低的外部元器件。

SRK2001的主要特性:
1.关闭时总延迟35纳秒
2.VCC工作电压范围为4.5 V至32 V
3.为LLC谐振变换器优化的二次侧同步整流控制器
4.自适应关断逻辑
5.低功耗模式:50μA静态电流
6.每个SR MOSFET的高压漏源开尔文传感
7.负荷瞬态、轻负荷和启动条件的安全管理

场景应用图

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产品实体图

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展示版照片

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方案方块图

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核心技术优势

•使用MarterGaN可缩减4倍空间及减轻3倍重量 •无需要散热器设计 •DC输入电压:400 V ±10% •DC输出电压:24V •输出电流可以达到10.4A •输出功率可以达到250W • 应用在开关电源,充电器和适配器,工业DC-DC应用,消费类SMPS

方案规格

•使用MasterGaN1高效紧凑的DC/DC转换解决方案 •输出电压:24 V •输出功率高达250 W •标称输入电压:400 V+/-10% •效率:>92% •防止短路和过电流的输出 •输入电压监视器,用于D2D转换器的正确排序和断电保护 •电路板尺寸:100 x 60(宽x高)mm。最大组件高度:35毫米 •符合WEEE和RoHS标准 •应用:工业DC-DC应用、适配器、消费型开关电源

技术文档

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