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(jiǎn)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(duì)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(duì)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)?、控制和性能?/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(jiǎn)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)?。同樣，?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(duì)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(duì)于CCM，開關(guān)頻率恒定，因此較高的開關(guān)損耗會(huì)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(duì)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(duì)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(cè)（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(hào)后，將延長(zhǎng)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(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間。但是，由于需要快速而準(zhǔn)確的電流檢測(cè)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(cè)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(hào)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(duì)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(cè)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(jī)。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(huì)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(shì)是，該拓?fù)涞闹剌d效率不會(huì)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(jí)GaN PFC是種提高效率和密度的誘人解決方案。12，13多級(jí)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(duì)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(duì)稱的工作，并能對(duì)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(cè)或ZCD，解決了變頻多相交錯(cuò)控制的問題。將多級(jí)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。

責(zé)任編輯：lq