基于氮化鎵的高頻圖騰柱PFC優(yōu)化設計

眾所周知，氮化鎵功率器件為電力電子系統(tǒng)提高頻率運行，實現(xiàn)高功率密度和高效率帶來可能。然而，在高頻下需要對EMI性能進行評估以滿足EMC法規(guī)（例如EN55022 B類標準）要求。

為了達到此目標，本文提出了針對連續(xù)電流模式無橋圖騰柱功率因數(shù)校正電路（PFC）的EMI濾波器設計流程。針對功率密度增加帶來的效率影響，將導致功率密度和效率之間的權衡，本文將氮化鎵基無橋圖騰柱PFC與傳統(tǒng)硅基PFC進行了數(shù)據(jù)對比，并提出了采用基于氮化鎵器件的圖騰柱PFC最佳范圍來權衡功率密度和效率。

EMI建模和濾波器設計

如圖1所示是單相無橋圖騰柱PFC的基本原理圖。為了滿足EMI標準，在拓撲結構和交流電源之間需要添加EMI濾波器，以衰減高速開關過程產生的噪聲。文獻[1]已經對該拓撲進行了詳細討論。與傳統(tǒng)的升壓PFC相比，由于省略了橋式二極管導通損耗，圖騰柱PFC系統(tǒng)的設計效率非常高。其中藍色晶體管代表高速橋臂，一般采用寬禁帶器件（例如GaN 功率器件）。

主要原因是氮化鎵器件具有零反向恢復（Qrr = 0），使得在高頻換流過程中高頻橋臂的開關損耗大大降低，所以可以采用連續(xù)電流模式對圖騰柱PFC進行設計，滿足中大功率變換的需求。除了顯著降低開關損耗外，氮化鎵器件的零反向恢復還大大減少由高頻換流di / dt引起的EMI噪聲產生，特別是對于輻射噪聲，可以參考文獻[2]。本文下一部分將重點討論高頻連續(xù)電流模式圖騰柱PFC傳導噪聲的EMI建模方法。

圖1 單相無橋圖騰柱PFC的基本原理圖

如圖2所示，EMI噪聲是通過連接在交流電源和被測設備（DUT）之間的線路阻抗穩(wěn)定網絡（LISN）進行測量。EMI測試接收器連接到LISN的輸出，以便與標準定義的限定值進行比較。該LISN實際上相當于一個高通濾波器功能，目的是將高頻噪聲電流捕獲到RC（0.1μF +50Ω）測試路徑中被測設備產生的EMI噪聲可以由EMI測試接收器通過50Ω電阻測量。同時，LISN還阻止了所有來自交流電網的噪聲，以確保接收器僅僅從被測設備測得噪聲。圖2給出了連續(xù)電流模式圖騰柱PFC的差模EMI濾波器等效電路，其包括兩級LC差模濾波器（LDM1 + CX1和LDM2 + CX2）。

圖2 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC的EMI濾波器等效電路

差模噪聲是由具有dv / dt和di / dt高頻開關過程產生，同時需要考慮PFC電感上具有紋波電流影響。理論上，對于給定的功率和電感的紋波電流，第一個峰值噪聲幅值（Vnoise_pk）就確定下來。根據(jù)傅立葉分析，此Vnoise_pk可以通過以下公式估算：

其中，輸入電感電流i（t）是由紋波電流波形?i（t）加上工頻正弦電流總和得到：

?i（t）是電感L的紋波電流，由公式（3）可以得到，它根據(jù)L的電感，開關周期Ts，占空比D和輸入/輸出電壓Vin / Vout計算得出；Zc是電路阻抗，對于無橋圖騰柱PFC電路，可以用等效電阻負載來表示。

圖3 頻率為65KHz和200KHz的模擬噪聲對比

根據(jù)公式（1）至（3），圖3給出了具有230V交流輸入和400V 直流輸出的1.5KW 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC的差模噪聲頻譜，其中開關頻率分別設定為65KHz和200KHz。由此可見，模擬的差模噪聲頻譜具有以下特性：

• 噪聲頻譜是離散的，噪聲頻率是整數(shù)乘以開關頻率；在兩個不同的相鄰頻率之間不會有開關噪音。當開關頻率為65KHz時，其低于150KHz EMI測試起始頻率，因此第一個需要衰減噪音產生在三倍開關頻率點即195KHz, 所需要衰減幅值約為28dBμV。當開關頻率為200KHz時，其高于150KHz EMI測試起始頻率，因此200KHz基頻即為第一個需要衰減的噪音，所需要衰減幅值約為60dBμV。
• 噪聲頻譜幅度保持每格-40dBμV的斜率衰減。它也可以通過上述傅立葉推導得到證實，并且可以由文獻[3]推論得到。

EMI濾波器的目的是通過設計并帶有足夠的設計余量來抑制超出EMI標準限制的噪聲。因此輸入差模濾波器提供的滿足EMI標準所需的衰減量DeltaEMI公式可寫為（4）：

這里：

• 公式（1）給出了Vnoise_pk計算，它表示不同頻率下第一個峰值噪聲幅度；
• Vlimit是EMI B類標準測試限定值；
• Margin是EMI濾波器的設計余量，這里選擇6dBμV為設計余量；
• m = ceil（150KHz / fs），函數(shù)ceil表示舍入運算，例如，如果開關頻率為65KHz，則m = 3；如果fs = 100KHz，m = 2；而對于fs> 150KHz，m = 0;
• “ -40log（m）” 表示噪聲頻譜從第一個開關頻率到第n個開關頻率保持幅度為每格-40dBμV衰減。

圖4（a）EMI濾波器提供的所需衰減（DeltaEMI）（b）差模濾波器在20μH + 2.2μF數(shù)值時兩級LC濾波器插入阻抗特性

基于上述的差模EMI噪聲模型，可得到如圖4（a）所示的1.5KW 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC電路的輸入EMI濾波器在不同頻率下所需衰減幅值。當開關頻率在50KHz至75KHz的范圍內時，最惡劣的150KHz以上噪聲頻率應為三倍開關頻率。當開關頻率為75KHz至150KHz時，最惡劣的噪聲頻率應為二倍開關頻率。同時，在75KHz和150KHz頻率處存在衰減幅值的跳變點，即在75KHz或150KHz附近略微改變開關頻率會導致濾波器設計很大差異。

因此，當選擇75KHz和150KHz附近的開關頻率時，建議將開關頻率設置為略低于跳變點頻率。高于150KHz時，最惡劣的噪聲頻率是開關頻率的基頻，并且150KHz之后所需衰減噪聲幅值不會發(fā)生明顯跳變。在獲得所需的衰減DeltaEMI之后，插入兩級LC低通濾波器以抑制噪聲。公式（5）給出了其插入阻抗（InsertionDM）。

在得到衰減幅值（DeltaEMI）和插入阻抗（InsertionDM）之間的關系式后，可以在不同的濾波器轉折頻率fc下設計EMI濾波器的值。當InsertionDM的絕對值等于或大于DeltaEMI（即│InsertionDM│≥│DeltaEMI│）時，其可以滿足EMI標準要求并具有至少6dBμV的設計余量。

圖5是根據(jù)上述推導建模得出的1.5KW 圖騰柱PFC在65KHz和200KHz差模EMI濾波器設計。DeltaEMI（紅線）是隨頻率變化所需的衰減，而藍線是輸入濾波器的頻域插入阻抗（InsertionDM），用于衰減噪聲。當DeltaEMI的絕對值等于InsertionDM的絕對值時，濾波器設計可以以6dBμV的余量通過EMI標準。它證明了在200KHz的高開關頻率下，與65KHz的低開關頻率相比，輸入EMI濾波器值（LDM1，LDM2，Cx1和Cx2）在濾波器的轉折頻率fc較高，濾波器尺寸較小。

如上所示，盡管要求的65KHz的第一衰減幅度低于200KHz的幅度，但要求的濾波器的轉折頻率fc卻不同，這意味著濾波器的轉折頻率越高，EMI濾波器的尺寸就越小。這種建模分析方法也可以應用于共模 EMI濾波器設計，并且可以獲得與差模EMI設計相似的結論。因此高開關頻率并不一定會增加傳導EMI設計的難度。相反，可以有助于減小EMI濾波器的尺寸并提高功率密度。

圖565KHz和200KHz頻率下1.5KW 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC EMI濾波器設計

電感尺寸和最優(yōu)頻率

除了EMI濾波器之外，開關頻率還影響PFC的電感對功率密度影響。理論上，開關頻率越高，電感值和尺寸越小。然而，在小尺寸的情況下，電感的散熱面積受到限制，因此應將電感的損耗和熱設計考慮進去，在體積與熱之間做權衡。圖6是1.5KW 連續(xù)模式圖騰柱PFC在 65KHz到300KHz下電感參數(shù)比較，電感的尺寸從100KHz到200KHz是得到顯著減小，當開關頻率高達300KHz，考慮到由于散熱面積的限制而引起的電感溫度上升，體積減小的幅度將大大降低。

圖6不同頻率下1.5KW連續(xù)電流模式圖騰柱PFC電感的尺寸

如引言中所述，功率密度的增加（即體積的減?。绊懶?，這兩個指標之間存在折衷。根據(jù)應用，對效率和功率密度的目標有不同的權衡。例如，對于數(shù)據(jù)中心服務器電源，由于節(jié)能鈦金等80+標準要求，通常優(yōu)先目標是首先選擇目標效率，然后盡可能提高功率密度。然而，對于電動車車載充電機，通常功率密度和重量更為重要，并且優(yōu)先目標將是實現(xiàn)小體積，然后盡可能地提高效率。

圖7 1.5KW 連續(xù)電流模式PFC的最高效率和功率密度

圖7顯示了兩種配置的1.5KW PFC最高效率和功率密度與開關頻率的關系曲線。第一種是帶硅MOSFET和碳化硅肖特基二極管的傳統(tǒng)交錯式升壓PFC電路，簡稱為硅基PFC，另一種是采用氮化鎵（ GS66508B）的無橋圖騰柱PFC電路，簡稱為氮化鎵基PFC。對于硅基PFC，效率性能受到硅MOSFET的品質因數(shù)（FOM）和橋式二極管的額外導通損耗的限制。因此，硅基PFC的開關頻率通常會被限制在100KHz以下，并且較難實現(xiàn)更高功率密度。

氮化鎵基PFC可以實現(xiàn)相對較高的功率密度。根據(jù)上面的EMI濾波器和電感器設計分析，我們可以計算出氮化鎵基PFC隨開關頻率增對功率密度的提升。采用氮化鎵基PFC可以在100KHz到200KHz下顯著增加功率密度，而超過300KHz時，由于熱性能的考慮功率密度增加受到限制，隨著電感和晶體管損耗的增加，峰值效率會低于98％。關于效率比較，氮化鎵器件具有極低開關損耗的優(yōu)勢，因此，隨著開關頻率的增加，氮化鎵基PFC的最高效率曲線相對硅基PFC來說平坦得多。

簡而言之，氮化鎵器件幫助實現(xiàn)了更高的開關頻率和更高的功率密度，同時保持相對較高的轉換效率。對于這個特定的1.5KW設計示例，氮化鎵基PFC的最佳頻率范圍是200KHz至250KHz，以達到權衡效率和功率密度的目的。

總結

本文介紹了一種用于高頻無橋圖騰柱PFC的簡單EMI濾波器建模方法。綜上所述，氮化鎵功率器件具有更高工作開關頻率下的高效率，提升了功率密度，進而得到更小體積的系統(tǒng)優(yōu)勢。文章提供了1.5KW氮化鎵基無橋圖騰柱PFC的最佳頻率范圍，以實現(xiàn)高功率密度和高效率的權衡。