利用GaN設(shè)計(jì)PFC整流器

GaN FET在AC/DC功率因數(shù)校正（PFC）整流器中起著重要作用。后者具有非常簡單的拓?fù)?。在所?a target="_blank">元器件中，只有電感是磁性的，而且通常是恒定頻率連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）電感。因此，可以直接顯示GaN FET對PFC整流器性能的影響。

650V GaN FET較低的寄生電容可降低開關(guān)損耗。此外，與650V Si MOSFET相比，在相同芯片尺寸內(nèi)，650V GaN FET具有更低的導(dǎo)通電阻（Ron），并且GaN FET消除了反向恢復(fù)損耗。GaN FET可使開關(guān)電源的峰值效率提高到99%。1-4盡管GaN的成本仍然是其獲得業(yè)界廣泛采用的障礙，但GaN FET所能實(shí)現(xiàn)的性能，包括效率和密度的提高，最終都將對開關(guān)電源解決方案的總成本產(chǎn)生積極影響。本文詳細(xì)研究了基于GaN的PFC整流器，并回顧了GaN無橋PFC拓?fù)洹⒖刂坪托阅堋?/p>

GaN PFC拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)的升壓PFC僅使用一個(gè)有源開關(guān)，通常是650V超結(jié)Si MOSFET。當(dāng)今，大多數(shù)常規(guī)開關(guān)電源都采用升壓PFC，從而充分利用其簡單性、低成本和可靠性。用650V GaN FET代替650V Si MOSFET可以減少開關(guān)損耗，但是效率的提高并不明顯——通常只有0.1%至0.15%。但是，用另一個(gè)650V GaN FET替換快速恢復(fù)二極管，則可大大降低損耗，因?yàn)槭褂玫蚏on FET可以消除二極管的傳導(dǎo)損耗，而GaN FET可以消除反向恢復(fù)損耗。這種變化可以使效率提高約0.25%。

二極管電橋造成的巨大傳導(dǎo)損耗，是開關(guān)損耗的另一個(gè)主要來源。用低Ron Si MOSFET代替二極管電橋，可以將效率提高約0.4%。二極管電橋也可以用包含二極管電橋和Si MOSFET的混合器件結(jié)構(gòu)代替。5混合器件可以以低成本降低從輕載到重載的傳導(dǎo)損耗。

圖1：GaN無橋PFC整流器拓?fù)浒ǎ╝）升壓無橋PFC、（b）雙升壓無橋PFC和（c）圖騰柱PFC。（圖片來源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）

雙升壓無橋PFC是另一種用于開關(guān)電源的流行拓?fù)洹Ｍ瑯?，?50V GaN FET代替Si MOSFET，可實(shí)現(xiàn)約0.1%至0.15%的效率提高，而替換快速恢復(fù)二極管則可以帶來約0.25%的效率提高。最后，用低Ron Si MOSFET或混合MOSFET替代低頻二極管，可以將效率再提高約0.25%。但是，雙升壓PFC由于具有兩個(gè)交替升壓階段，因此對器件和電感的利用率較低。

GaN圖騰柱PFC拓?fù)鋬H具有兩個(gè)GaN FET、兩個(gè)Si MOSFET（或混合開關(guān)）和一個(gè)電感。這種拓?fù)涫褂玫脑骷葻o橋升壓PFC和雙升壓PFC都要少，而且可以更好地利用器件和電感。圖騰柱PFC的效率和密度也可以比雙升壓PFC更高，并且成本更低。

GaN PFC控制

GaN PFC控制可以根據(jù)以下調(diào)制策略進(jìn)行總結(jié)：連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、臨界導(dǎo)通模式（CRM）和準(zhǔn)方波模式（QSW）。對于CCM，開關(guān)頻率恒定，因此較高的開關(guān)損耗會導(dǎo)致較低的開關(guān)頻率。在這種情況下，可以將升壓PFC常用的傳統(tǒng)平均電流控制用于GaN PFC。對于CRM，則可以利用傳統(tǒng)的峰值電流控制和恒定導(dǎo)通時(shí)間控制——二者在升壓PFC中也被采用。傳統(tǒng)的CRM控制還集成了非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）控制，而可以對峰值開關(guān)頻率進(jìn)行限制。

在GaN PFC方面，QSW模式工作和控制經(jīng)常受到討論，因?yàn)橄龑?dǎo)通損耗可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而可減小轉(zhuǎn)換器的尺寸。為了實(shí)現(xiàn)QSW工作，基于過零檢測（ZCD）的控制策略受到討論。3，4，6主要概念是，控制器在接收到ZCD信號后，將延長同步整流器（SR）開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)有源開關(guān)的零電壓開關(guān)（ZVS）。數(shù)字控制器將根據(jù)輸入輸出電壓電流的平均值信息計(jì)算延長的導(dǎo)通時(shí)間。但是，由于需要快速而準(zhǔn)確的電流檢測或ZCD，因此這種方法極具挑戰(zhàn)性，尤其是在將開關(guān)頻率擴(kuò)展到數(shù)MHz時(shí)更是如此。當(dāng)系統(tǒng)中需要采用多相交錯(cuò)時(shí)，這種控制方法甚至更具挑戰(zhàn)性。

另一種控制方法是基于變頻脈沖寬度調(diào)制（PWM）。7這種方法將傳統(tǒng)平均電流控制的核心部分用于CCM升壓PFC。此處的創(chuàng)新之處在于，可以根據(jù)檢測到的輸入電壓與電流及輸出電壓與電流信息來更改三角載波信號的頻率。改變?nèi)禽d波頻率可改變開關(guān)頻率。平均電流控制環(huán)路決定了占空比。這種控制方法的關(guān)鍵概念是，對于QSW工作，占空比和PWM載波頻率是兩個(gè)獨(dú)立的自由度。這種方法省去了高速電流檢測或ZCD步驟。由于PWM載波始終保持同步，因此可以通過變頻PWM輕松實(shí)現(xiàn)多相交錯(cuò)。

表1：GaN PFC整流器的性能比較。（表格來源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）

GaN PFC性能

GaN PFC整流器已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界取得了成功。表1總結(jié)了幾家機(jī)構(gòu)和公司所取得的業(yè)績。通常，其可以實(shí)現(xiàn)99%的峰值效率，這是開關(guān)電源PFC的一個(gè)新高。這種效率表現(xiàn)將開關(guān)電源PFC的效率提升到了一個(gè)新水平。一些解決方案可以使峰值效率提高到99.2%。通常，較低的頻率會犧牲較高的效率，從而導(dǎo)致較低的密度。

CCM GaN PFC的另一個(gè)效率性能優(yōu)勢是，該拓?fù)涞闹剌d效率不會顯著低于其峰值效率，因?yàn)樵诮档?a target="_blank">RMS電流值（尤其是高頻AC RMS）方面，CCM優(yōu)于QSW。QSW GaN PFC整流器通常具有更高的功率密度，因?yàn)槠溟_關(guān)頻率要高得多，但是，QSW的效率從峰值到重載值的下降比CCM更為陡峭。

多級GaN PFC是種提高效率和密度的誘人解決方案。12，13多級工作可降低電感上的伏秒積，從而使等效工作頻率提高，進(jìn)而使電感尺寸大幅減小。其他無源元件的尺寸也將得到減小。CCM工作和低電流紋波也能實(shí)現(xiàn)較低的傳導(dǎo)損耗，尤其是對于高頻AC電流傳導(dǎo)更是如此。較低開關(guān)電壓也是減少開關(guān)損耗的一個(gè)因素。

總結(jié)

電力電子設(shè)計(jì)人員可以通過使用650V GaN FET實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和零反向恢復(fù)損耗。在圖1討論的拓?fù)渲?，GaN圖騰柱PFC整流器具有最少的開關(guān)數(shù)量，在開關(guān)之間表現(xiàn)出對稱的工作，并能對器件和電感實(shí)現(xiàn)最佳利用。GaN圖騰柱PFC可以通過CCM或QSW工作達(dá)到99%的峰值效率。QSW工作消除了導(dǎo)通損耗——這是總開關(guān)損耗的主要部分。因此，與CCM工作相比，QSW可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度。QSW工作的變頻ZVS控制難題，可通過使用變頻PWM予以解決，也即將傳統(tǒng)PWM的恒定頻率載波替換為可變頻率載波。這種PWM方法省去了高速電流檢測或ZCD，解決了變頻多相交錯(cuò)控制的問題。將多級技術(shù)應(yīng)用于GaN PFC，則可通過CCM工作實(shí)現(xiàn)高效率和高密度。

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