GaN 器件的高效率高功率密度LLC 谐振变换器的优化设计
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Converter for GaN Devices
DENG Xiao⁃xiang，LIU Yu，ZHAG Wei⁃jie
（College of Electrical and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China）
器 件 ，可 以 在 较 高 的 开 关 频 率 下 提 高 电 路 的 效 率 和 功 率 密 度 。 在 分 析 LLC 谐 振 变 换 器 的 开 关 过 程 和 建 模 的 基 础
上，利用 LTspice 仿真软件对 LLC 谐振网络参数进行仿真分析，优化了原边开关器件死区时间，改进了谐振参数设
实验平台对样机进行实验验证，实验结果表明，样机达到了高效率、高功率密度的目标要求。
1
LLC 谐振变换器的特性与工作过程分析
对称半桥 LLC 谐振变换器是将串联谐振电容拆分成两个等容量谐振电容串接在电路中。相对于非对
称 半 桥 结 构 谐 振 变 换 器 ，改 进 的 对 称 半 桥 结 构 变 换 器 的 谐 振 电 流 纹 波 有 明 显 改 善 ，谐 振 腔 电 流 波 形 更 接 近
果表明采用 GaN 器件作为谐振变换器开关器件，相较文献［9-10］中采用传统 Si 器件整机开关，前者的频率
和 效 率 明 显 提 高 ，且 样 机 体 积 明 显 减 小 。 文 献［4］和 文 献［7］基 于 GaN 器 件 非 对 称 半 桥 LLC 谐 振 变 换 器 后
级整流电路使用同步整流技术，整机效率相对于不控整流电路效率有显著提升。
imental results verify the feasibility of the scheme design.
Key words：LLC resonant convertor; soft switch; GaN; the synchronous rectifier
＊
收稿日期：2020-11-01
热率比较高，以及临界击穿电场强度大等优点。相对于传统半导体 Si 功率器件，GaN 器件更适用于高频、高
电压、高温的工作场合。新型功率开关器件（GaN 器件）的出现为变换器性能的优化设计提供了全新的解决
方案。LLC 谐振变换器因其可实现软开关的特性成为 DC/DC 变换领域的研究热点。此外，LLC 谐振变换
器 利 用 宽 范 围 的 输 入 电 压 易 实 现 磁 集 成 等 特 点 ，使 其 具 有 其 它 谐 振 变 换 器 无 法 比 拟 的 优 势 ，得 到 了 广 泛 应
用。结合中小功率通信电源设备高效率、高功率密度的设计要求，宽范围输入电压，以及宽负载变化的应用
场 合 需 求 ，基 于 GaN 器 件 的 LLC 谐 振 变 换 器 是 实 现 通 信 电 源 设 备 高 效 率 、高 功 率 密 度 目 标 要 求 的 有 效
载提供稳定的直流电。
LLC 谐振变换器有三个谐振器件，在谐振变换器的
工作频率范围内有两个谐振点。在本实验的双谐振电
容对称半桥电路中，两个独立谐振电容在工作过程中等
效于一个传统单谐振电容，变换器的两个谐振频率点见
式（1）、式（2）：
fr =
1
2π
L r ( C r1 + C r2 )
.
图1
（1）
Fig. 1
正 弦 波 ，同 时 还 可 以 减 小 直 流 输 入 母 线 电 容 的 电 压 应 力 。 因 全 波 整 流 电 路 的 结 构 简 单 ，在 低 压 大 电 流 的 整
流 电 路 中 ，一 般 采 用 全 波 整 流 方 式 。 同 步 整 流 技 术 可 明 显 降 低 整 流 管 的 导 通 损 耗 ，提 高 整 机 工 作 效 率 。 综
学科分类号：47040
开放学科（资源服务）标识码（OSID）：
GaN 器件的高效率高功率密度 LLC 谐振变换器的优化设计
邓孝祥，刘
钰，张伟杰
（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022）
摘
要 ：针 对 通 信 电 源 设 备 高 效 率 、高 功 率 密 度 的 发 展 趋 势 ，使 用 新 型 功 率 器 件 GaN 作 为 LLC 谐 振 电 路 的 主 功 率
power density of the circuit at higher switching frequency. Based on the analysis of the switching process and
modeling of LLC resonant converter, the parameters of LLC resonant network are simulated and analyzed by us⁃
在 97% 以上，峰值效率可达到 97. 9%，达到了高效率、高功率密度的设计要求。实验结果验证了所提方案设计的可
行性。
关键词 ：
LLC 谐振变换器；软开关；GaN；同步整流
Optimal Design of High Efficiency and High Power Density LLC Resonant
TEA1795T is used to reduce the conduction loss of synchronous rectifier tube and improve the efficiency. A pro⁃
totype of LLC Resonant Converter based on GaN device was designed and developed. The power density of the
途径。
国 内 已 有 多 家 研 究 机 构 开 展 了 相 关 研 究 ，目 前 基 于 GaN 器 件 的 中 小 功 率 LLC 谐 振 变 换 器 已 经 成 为
DC/DC 变 换 的 研 究 热 点 。 文 献［4-9］采 用 GaN 器 件 作 为 非 对 称 半 桥 LLC 谐 振 变 换 器 的 开 关 器 件 ，实 验 结
prototype reached 8. 1 W/cm 3 , and the efficiency was above 97% and the peak efficiency was 97. 9% under
more than a quarter load, and meet the design requirements of high efficiency and high power density. The exper⁃
根 据 谐 振 变 换 器 的 开 关 频 率 f s 与 谐 振 点 f r 、f m 的 关 系 ，谐 振 变 换 器 的 工 作 区 域 可 以 划 分 为 三 个 区 域 ，分
别是 f s < f m 、f m < f s < f r 、f s > fr 。当 f s < f m 时，谐振腔呈容性，无法实现软开关特性，因此 LLC 谐振变换器应
Abstract: In view of the development trend of high efficiency and high power density of communication power
supply equipment, using GaN as the main power device of LLC resonant circuit can improve the efficiency and
第 36 卷 第 1 期
2021 年 2 月
Vol. 36 No. 1
Feb. 2021
电
力
学
报
JOURNAL OF ELECTRIC POWER
文章编号：1005-6548（2021）01-0026-09
中图分类号：TM46
DOI：10. 13357/j. dlxb. 2021. 004
文献标识码：B
主电路拓扑
Main circuit topology
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28
电
fm =
力
2π
(L
学1Leabharlann r第 36 卷报
+ L m ) ( C r1 + C r2 )
.
（2）
式中：L r 为谐振电感，H；L m 为励磁电感，H；C r1 和 C r2 为谐振电容，F。
上 所 述 ，本 方 案 选 用 具 有 双 谐 振 电 容 的 对 称 半 桥 结 构 作 为 前 级 ，后 级 采 用 同 步 整 流 控 制 的 全 波 整 流 。 LLC
谐 振 变 换 器 主 电 路 拓 扑 如 图 1 所 示 ，功 率 管 S 1 、S 2 的 驱 动 信 号 以 近 50% 的 占 空 比 互 补 导 通 ，为 避 免 桥 臂 直
（01）：26-34. DOI：10. 13357/j. dlxb. 2021. 004.
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邓孝祥，等：GaN 器件的高效率高功率密度 LLC 谐振变换器的优化设计
第1期
0
27
引言
随着信息技术、云计算、开关电源技术、5G 商用的快速发展，在中小功率应用场合，高效率、高功率密度
计和变压器绕组设计，使用高频同步整流驱动芯片 TEA1795T 减小了同步整流管导通损耗，提升了效率。基于此，
设 计 并 研 制 了 一 台 基 于 GaN 器 件 的 LLC 谐 振 变 换 器 样 机 ，样 机 功 率 密 度 可 达 到 8. 1 W/cm 3 ，1/4 以 上 负 载 时 效 率
通，留有一定的死区时间。输入电压 U in 经方波发生器生成幅值为 U in 的方波进入谐振腔，经过谐振电感 L r 、
谐振电容 C r1 和 C r2（满足 C r1 = C r2）、励磁电感 L m 后接入高频隔离变压器，通过副边变压器中心抽头与同步
整 流 管 S R1 、S R2 构 成 全 波 整 流 电 路 ，通 过 滤 波 电 容 向 负
本文针对高效率、高功率密度通信电源设备的需求，研制了一款基于 GaN 器件的高效率、高功率密度双
谐振电容型对称半桥 LLC 谐振变换器。本文首先介绍谐振变换器的工作原理，分析了变换器的工作过程和
优化死区时间；然后，采用磁集成技术 IM 展开研究，充分利用变压器的漏感作为谐振电感，进一步减小变换
器的体积 ；此外 ，使用高频同步整流驱动芯片 TEA1795T 可有效减小同步整流开关管导通损耗 ；最后 ，搭建
ing LTspice simulation software. The dead time of primary switch device is optimized, the resonant parameter
design and transformer winding design are improved, and the high ⁃ frequency synchronous rectifier driver chip
DC/DC 电源在通信电源设备中发挥着重要的作用［1-3］。开关器件高频化是实现电源设备高功率密度目标要
求的有效方法。传统功率器件随着开关频率的提高，面临电能转换效率不高、开关损耗大、开关器件电压应
力高、EMI 噪声大等问题，严重制约了开关电源设备朝着高频化和小型化的方向发展。新型开关器件（GaN
器件）具有体积小、开关速度高、低导通电阻、无反向恢复损耗、禁带宽度大、饱和漂移与电子迁移速率快、导
作者简介：邓孝祥（1966—），男，教授，研究方向为电力电子与电力传动；
刘
钰（1994—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，2896052489@qq. com；
张伟杰（1996—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，1399223514@qq. com。
引文格式 ：邓 孝 祥 ，刘 钰 ，张 伟 杰 . GaN 器 件 的 高 效 率 高 功 率 密 度 LLC 谐 振 变 换 器 的 优 化 设 计［J］. 电 力 学 报 ，2021，36
DENG Xiao⁃xiang，LIU Yu，ZHAG Wei⁃jie
（College of Electrical and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China）
器 件 ，可 以 在 较 高 的 开 关 频 率 下 提 高 电 路 的 效 率 和 功 率 密 度 。 在 分 析 LLC 谐 振 变 换 器 的 开 关 过 程 和 建 模 的 基 础
上，利用 LTspice 仿真软件对 LLC 谐振网络参数进行仿真分析，优化了原边开关器件死区时间，改进了谐振参数设
实验平台对样机进行实验验证，实验结果表明，样机达到了高效率、高功率密度的目标要求。
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LLC 谐振变换器的特性与工作过程分析
对称半桥 LLC 谐振变换器是将串联谐振电容拆分成两个等容量谐振电容串接在电路中。相对于非对
称 半 桥 结 构 谐 振 变 换 器 ，改 进 的 对 称 半 桥 结 构 变 换 器 的 谐 振 电 流 纹 波 有 明 显 改 善 ，谐 振 腔 电 流 波 形 更 接 近
果表明采用 GaN 器件作为谐振变换器开关器件，相较文献［9-10］中采用传统 Si 器件整机开关，前者的频率
和 效 率 明 显 提 高 ，且 样 机 体 积 明 显 减 小 。 文 献［4］和 文 献［7］基 于 GaN 器 件 非 对 称 半 桥 LLC 谐 振 变 换 器 后
级整流电路使用同步整流技术，整机效率相对于不控整流电路效率有显著提升。
imental results verify the feasibility of the scheme design.
Key words：LLC resonant convertor; soft switch; GaN; the synchronous rectifier
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收稿日期：2020-11-01
热率比较高，以及临界击穿电场强度大等优点。相对于传统半导体 Si 功率器件，GaN 器件更适用于高频、高
电压、高温的工作场合。新型功率开关器件（GaN 器件）的出现为变换器性能的优化设计提供了全新的解决
方案。LLC 谐振变换器因其可实现软开关的特性成为 DC/DC 变换领域的研究热点。此外，LLC 谐振变换
器 利 用 宽 范 围 的 输 入 电 压 易 实 现 磁 集 成 等 特 点 ，使 其 具 有 其 它 谐 振 变 换 器 无 法 比 拟 的 优 势 ，得 到 了 广 泛 应
用。结合中小功率通信电源设备高效率、高功率密度的设计要求，宽范围输入电压，以及宽负载变化的应用
场 合 需 求 ，基 于 GaN 器 件 的 LLC 谐 振 变 换 器 是 实 现 通 信 电 源 设 备 高 效 率 、高 功 率 密 度 目 标 要 求 的 有 效
载提供稳定的直流电。
LLC 谐振变换器有三个谐振器件，在谐振变换器的
工作频率范围内有两个谐振点。在本实验的双谐振电
容对称半桥电路中，两个独立谐振电容在工作过程中等
效于一个传统单谐振电容，变换器的两个谐振频率点见
式（1）、式（2）：
fr =
1
2π
L r ( C r1 + C r2 )
.
图1
（1）
Fig. 1
正 弦 波 ，同 时 还 可 以 减 小 直 流 输 入 母 线 电 容 的 电 压 应 力 。 因 全 波 整 流 电 路 的 结 构 简 单 ，在 低 压 大 电 流 的 整
流 电 路 中 ，一 般 采 用 全 波 整 流 方 式 。 同 步 整 流 技 术 可 明 显 降 低 整 流 管 的 导 通 损 耗 ，提 高 整 机 工 作 效 率 。 综
学科分类号：47040
开放学科（资源服务）标识码（OSID）：
GaN 器件的高效率高功率密度 LLC 谐振变换器的优化设计
邓孝祥，刘
钰，张伟杰
（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022）
摘
要 ：针 对 通 信 电 源 设 备 高 效 率 、高 功 率 密 度 的 发 展 趋 势 ，使 用 新 型 功 率 器 件 GaN 作 为 LLC 谐 振 电 路 的 主 功 率
power density of the circuit at higher switching frequency. Based on the analysis of the switching process and
modeling of LLC resonant converter, the parameters of LLC resonant network are simulated and analyzed by us⁃
在 97% 以上，峰值效率可达到 97. 9%，达到了高效率、高功率密度的设计要求。实验结果验证了所提方案设计的可
行性。
关键词 ：
LLC 谐振变换器；软开关；GaN；同步整流
Optimal Design of High Efficiency and High Power Density LLC Resonant
TEA1795T is used to reduce the conduction loss of synchronous rectifier tube and improve the efficiency. A pro⁃
totype of LLC Resonant Converter based on GaN device was designed and developed. The power density of the
途径。
国 内 已 有 多 家 研 究 机 构 开 展 了 相 关 研 究 ，目 前 基 于 GaN 器 件 的 中 小 功 率 LLC 谐 振 变 换 器 已 经 成 为
DC/DC 变 换 的 研 究 热 点 。 文 献［4-9］采 用 GaN 器 件 作 为 非 对 称 半 桥 LLC 谐 振 变 换 器 的 开 关 器 件 ，实 验 结
prototype reached 8. 1 W/cm 3 , and the efficiency was above 97% and the peak efficiency was 97. 9% under
more than a quarter load, and meet the design requirements of high efficiency and high power density. The exper⁃
根 据 谐 振 变 换 器 的 开 关 频 率 f s 与 谐 振 点 f r 、f m 的 关 系 ，谐 振 变 换 器 的 工 作 区 域 可 以 划 分 为 三 个 区 域 ，分
别是 f s < f m 、f m < f s < f r 、f s > fr 。当 f s < f m 时，谐振腔呈容性，无法实现软开关特性，因此 LLC 谐振变换器应
Abstract: In view of the development trend of high efficiency and high power density of communication power
supply equipment, using GaN as the main power device of LLC resonant circuit can improve the efficiency and
第 36 卷 第 1 期
2021 年 2 月
Vol. 36 No. 1
Feb. 2021
电
力
学
报
JOURNAL OF ELECTRIC POWER
文章编号：1005-6548（2021）01-0026-09
中图分类号：TM46
DOI：10. 13357/j. dlxb. 2021. 004
文献标识码：B
主电路拓扑
Main circuit topology
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学1Leabharlann r第 36 卷报
+ L m ) ( C r1 + C r2 )
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式中：L r 为谐振电感，H；L m 为励磁电感，H；C r1 和 C r2 为谐振电容，F。
上 所 述 ，本 方 案 选 用 具 有 双 谐 振 电 容 的 对 称 半 桥 结 构 作 为 前 级 ，后 级 采 用 同 步 整 流 控 制 的 全 波 整 流 。 LLC
谐 振 变 换 器 主 电 路 拓 扑 如 图 1 所 示 ，功 率 管 S 1 、S 2 的 驱 动 信 号 以 近 50% 的 占 空 比 互 补 导 通 ，为 避 免 桥 臂 直
（01）：26-34. DOI：10. 13357/j. dlxb. 2021. 004.
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邓孝祥，等：GaN 器件的高效率高功率密度 LLC 谐振变换器的优化设计
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引言
随着信息技术、云计算、开关电源技术、5G 商用的快速发展，在中小功率应用场合，高效率、高功率密度
计和变压器绕组设计，使用高频同步整流驱动芯片 TEA1795T 减小了同步整流管导通损耗，提升了效率。基于此，
设 计 并 研 制 了 一 台 基 于 GaN 器 件 的 LLC 谐 振 变 换 器 样 机 ，样 机 功 率 密 度 可 达 到 8. 1 W/cm 3 ，1/4 以 上 负 载 时 效 率
通，留有一定的死区时间。输入电压 U in 经方波发生器生成幅值为 U in 的方波进入谐振腔，经过谐振电感 L r 、
谐振电容 C r1 和 C r2（满足 C r1 = C r2）、励磁电感 L m 后接入高频隔离变压器，通过副边变压器中心抽头与同步
整 流 管 S R1 、S R2 构 成 全 波 整 流 电 路 ，通 过 滤 波 电 容 向 负
本文针对高效率、高功率密度通信电源设备的需求，研制了一款基于 GaN 器件的高效率、高功率密度双
谐振电容型对称半桥 LLC 谐振变换器。本文首先介绍谐振变换器的工作原理，分析了变换器的工作过程和
优化死区时间；然后，采用磁集成技术 IM 展开研究，充分利用变压器的漏感作为谐振电感，进一步减小变换
器的体积 ；此外 ，使用高频同步整流驱动芯片 TEA1795T 可有效减小同步整流开关管导通损耗 ；最后 ，搭建
ing LTspice simulation software. The dead time of primary switch device is optimized, the resonant parameter
design and transformer winding design are improved, and the high ⁃ frequency synchronous rectifier driver chip
DC/DC 电源在通信电源设备中发挥着重要的作用［1-3］。开关器件高频化是实现电源设备高功率密度目标要
求的有效方法。传统功率器件随着开关频率的提高，面临电能转换效率不高、开关损耗大、开关器件电压应
力高、EMI 噪声大等问题，严重制约了开关电源设备朝着高频化和小型化的方向发展。新型开关器件（GaN
器件）具有体积小、开关速度高、低导通电阻、无反向恢复损耗、禁带宽度大、饱和漂移与电子迁移速率快、导
作者简介：邓孝祥（1966—），男，教授，研究方向为电力电子与电力传动；
刘
钰（1994—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，2896052489@qq. com；
张伟杰（1996—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，1399223514@qq. com。
引文格式 ：邓 孝 祥 ，刘 钰 ，张 伟 杰 . GaN 器 件 的 高 效 率 高 功 率 密 度 LLC 谐 振 变 换 器 的 优 化 设 计［J］. 电 力 学 报 ，2021，36