单端反激式转换器因其架构简单、元件数量少而被广泛使用。然而，其采用硅(Si)mosfet 的传统设计存在 200-250 瓦的实际功率上限。这是由于随着功率水平提高，几个相互关联的物理限制因素共同作用的结果。最关键的限制因素是初级侧 MOSFET 导通损耗呈指数级增长。

同时，开关损耗也成为一个重要障碍。Power Integrations (PI) 培训总监 Andy Smith 在 APEC 2026 会议上接受《Power Electronics News》主编 Aalyia Shaukat 采访时表示：“你不能在不增加开关损耗的情况下增加开关尺寸。”

为了降低导通损耗，设计人员可能会选择具有更大芯片面积的硅 MOSFET 以获得更低的 RDS(on)。然而，这会产生一个艰难的权衡，因为更大的硅器件具有更高的寄生电容，尤其是输出电容 Coss 和栅极电荷 Qg。

另一个限制是初级开关上的电压应力。在关断期间，MOSFET 漏源极两端电压 (Vds) 是直流输入母线电压 (Vin)、反射的输出电压以及由变压器漏感引起的电压尖峰之和。在更高功率水平下，这种漏感尖峰可能成为一个主要问题。

与具有相同电压等级和导通电阻的硅 MOSFET 相比，氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 具有更低的栅极电荷和输出电容。由于开关损耗与寄生电容成正比，GaN 器件可以更快地开启和关断，并且每个周期耗散的能量显著减少。

TOPSwitchGaN 还将器件额定电压从之前基于硅的几代产品所使用的 650-725V 提升到了 800V。Smith 解释说，更高的额定电压为输入电压变化提供了关键的回旋余量，同时允许设计人员“实现高压输出而无需接近器件的电压额定值”。

两种主要损耗分量的解耦是将反激拓扑推向更高功率水平的核心推动因素。PI 发布了 TOPSwitchGaN 系列开关电源 IC，将反激拓扑的实际功率极限扩展到了 440 瓦。这一领域以前由更复杂的谐振和多开关转换器架构主导。

了解 PI 面向新功率等级的反激式方案

Power Integrations 声称其氮化镓技术用于功率扩展。虽然 GaN 已被用于提高现有功率范围内的效率，但它在 TOPSwitchGaN 中的应用是为了将反激拓扑推向新的功率等级。功率从 PI 先前基于硅的 TOPSwitch-JX 系列的 240-250 瓦上限大幅提升至新的最高 440 瓦。

反激式转换器的主要价值主张始终是其简单性。它使用单个初级侧开关，不需要单独的输出电感，并且易于控制。这种简单性还转化为物料成本更低、元件数量更少、PCB 占用空间更小以及设计周期更快的优势。

对于许多需要更高功率的应用，默认的决定是转向更复杂的拓扑结构，例如 LLC 转换器。LLC 转换器需要初级侧半桥或全桥开关、一个谐振回路以及更复杂的控制方案来管理其与频率相关的操作。

例如，一位为大型电器设计 350 瓦电动自行车充电器电源的电力电子工程师，不再默认选择 LLC 架构。现在他们有了另一种选择，即 PI 的 TOPSwitchGaN 器件，它能够以反激式的简单架构提供所需的功率。在成熟、大批量的消费电子和工业电源市场中，这将具有更具吸引力的优势。

考虑到 TOPSwitch 是现有产量最高的功率 IC 系列之一(仅次于 TinySwitch 系列)，这一消息意义重大——自 1998 年开始追踪以来，PI 已出货 30 亿颗，Smith 估计地球上任何建筑物内都有至少两颗 TOPSwitch IC 应用于其各种电器和系统中。“你进入地球上任何一栋建筑，里面都会有两颗 TopSwitch IC，”Smith 说，“这就是它们的出货量。”

TOPSwitch 向 GaN 的过渡是 PI 对其 GaN 研发优先级的精心排序，首先专注于快充应用，从而产生了 InnoSwitch 产品系列。TopSwitchGaN 是将相同的底层 PowiGaN 技术应用于 PI 最高产量平台的后续步骤。“我们现在已经到了有时间来做 TOPSwitchGaN 的时候了，”Smith 说。

图1

全负载范围内的效率如今更重要

在现代电源设计中，对效率的关注已从满负载时的峰值效率转移到对整个工作负载范围内性能的更全面考量。据称，TOPSwitchGaN 平台能够提供平坦的效率曲线，在其额定功率的 10% 到 100% 范围内保持约 92% 的效率，这可以说比实现一个高但范围狭窄的峰值效率更为重要。

许多电子设备并非持续以其最大功率水平运行。例如，一台工业电机可能在大部分使用寿命中处于待机、空闲或部分负载状态。对于此类应用，一个在满负载时峰值效率高达 95% 但在 20% 负载时效率降至 80% 的电源，在实际应用中可能远不如一个在相同范围内持续保持 92% 效率的电源高效。

LLC 与反激式的比较

平坦的效率曲线确保了无论功率需求如何，损耗都较低。这为最终用户带来了更低的平均能耗和更低的运营成本。在将高功率 GaN 反激式转换器与其主要的替代方案 LLC 谐振转换器进行比较时，这种平坦的效率也是一个区别因素。

Smith 继续说道：“在满负载效率方面，不带 PFC 的 LLC 绝对高于反激式。但在轻负载下，LLC 的效率会急剧下降;你无法用 LLC 来实现在待机模式下运行的应用。”

换句话说，LLC 转换器通过在最佳条件下以其谐振频率或附近运行，可以实现超过 96% 的非常高的峰值效率。然而，随着负载减少，其效率会下降。为了在轻负载下调节输出，LLC 控制器必须将工作频率远远移离谐振点。

另一个基本限制是 LLC 转换器本身无法适应宽范围的交流输入电压。由于 LLC 通过改变开关频率来调节，90V 到 264V 的通用交流输入范围将需要“谐振电路改变 10 倍，”Smith 说，“你无法制造出那样工作的 LLC。”

这迫使设计人员在 LLC 之前放置一个 PFC 级来调节直流母线电压。然而，正如 Smith 指出的，为 LLC 添加 PFC 不仅增加了电路复杂性，还可能将整个系统的效率降低到 GaN 反激式转换器之下，从而削弱了人们通常认为的 LLC 固有的效率优势。相比之下，反激式转换器无需 PFC 即可自然地工作在整个交流输入范围内。“我们使用反激式需要 74 个元件，而使用 LLC 需要 104 个元件。我们还使用一个开关而不是两个，”Smith 说(图 2)。

图2

Smith 认为，在负载曲线高度变化的应用中，Power Integrations 的 GaN 反激式转换器具有 92% 的稳定效率，其平均效率将高于峰值效率为 96% 的 LLC 转换器。“你无法用 LLC 来实现在待机模式下运行的应用，”Smith 解释说。

此外，平坦的效率曲线也简化了热管理。一个在较低负载下损耗增加的电源将需要复杂的热设计。它可能需要更大的散热器或更激进的风扇控制来处理最坏情况，而这种情况甚至可能不会在满功率时发生。一个在整个负载范围内具有可预测、低损耗的电源允许采用更优化且可能更小的散热解决方案。