電子發(fā)燒友App
作者：Qingyun Huang、Qingxuan Ma和Alex Q. Huang
盡管GaN的成本仍然是其受到業(yè)界廣泛采用的一大障礙，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(kāi)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(wú)橋PFC拓?fù)洹⒖刂坪托阅堋?/p>
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)洹Ｔ谒?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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)橋PFC拓?fù)洹⒖刂坪托阅堋?/p>
GaN PFC拓?fù)?/strong>
傳統(tǒng)的升壓PFC僅使用一個(gè)有源開(kāi)關(guān)，通常是650V超結(jié)Si MOSFET。當(dāng)今，大多數(shù)常規(guī)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗的另一個(gè)主要來(lái)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(wú)橋PFC整流器拓?fù)浒ǎ╝）升壓無(wú)橋PFC、（b）雙升壓無(wú)橋PFC和（c）圖騰柱PFC。（圖片來(lái)源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）
雙升壓無(wú)橋PFC是另一種用于開(kāi)關(guān)電源的流行拓?fù)洹Ｍ瑯樱?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(lái)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(kāi)關(guān)）和一個(gè)電感。這種拓?fù)涫褂玫脑骷葻o(wú)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(kāi)關(guān)頻率恒定，因此較高的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)導(dǎo)致較低的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)有源開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)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(kāi)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(lái)更改三角載波信號(hào)的頻率。改變?nèi)禽d波頻率可改變開(kāi)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(guò)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(lái)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(kāi)關(guān)電源PFC的一個(gè)新高。這種效率表現(xiàn)將開(kāi)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_(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)電壓也是減少開(kāi)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(guò)使用650V GaN FET實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和零反向恢復(fù)損耗。在圖1討論的拓?fù)渲校珿aN圖騰柱PFC整流器具有最少的開(kāi)關(guān)數(shù)量，在開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(wèn)題。將多級(jí)技術(shù)應(yīng)用于GaN PFC，則可通過(guò)CCM工作實(shí)現(xiàn)高效率和高密度。
參考文獻(xiàn)
1L. Zhou, Y. Wu, J. Honea, and Z. Wang.? High-efficiency True Bridgeless Totem Pole PFC based on GaN HEMT: Design Challenges and Cost-effective Solution. ?Proceedings of PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 1-8. ?2015.
2F.C. Lee, Q. Li, Z. Liu, Y. Yang, C. Fei, and M. Mu. Application of GaN devices for 1 kW server power supply with integrated magnetics. CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, Vol. 1, No. 1, 3–12. ?December 2016.
3Z. Liu, F.C. Lee, Q. Li, and Y. Yang. Design of GaN-Based MHz Totem-Pole PFC Rectifier. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 4, No. 3, 799–807. September 2016.
4Q. Huang, R. Yu, Q. Ma, and A. Q. Huang. Predictive ZVS Control With Improved ZVS Time Margin and Limited Variable Frequency Range for a 99% Efficient, 130-W/in3?MHz GaN Totem-Pole PFC Rectifier. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 34, No. 7, 7079–091. July 2019.
5Q. Huang and A.Q. Huang. Hybrid Low-Frequency Switch for Bridgeless PFC. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 35, No. 10, 9982–9986. October 2020.
6Z. Liu, Z. Huang, F. C. Lee, and Q. Li. Digital-Based Interleaving Control for GaN-Based MHz CRM Totem-Pole PFC. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 4, No. 3, 808–814. ?September 2016.
7Q. Huang and A.Q. Huang, Variable Frequency Average Current Mode Control for ZVS Symmetrical Dual-Buck H-Bridge All-GaN Inverter. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. September 2019.
8Infineon. 2500 W full-bridge totem-pole power factor correction using CoolGaN. Application note. May 2018. https://bit.ly/3kfdRQJ.
9GaN Systems. 3kW High-Efficiency CCM Bridgeless Totem Pole PFC Reference Design using GaN E-HEMTs. Application note.?https://bit.ly/3bRUTwc.
10Texas Instruments. PMP20873 – 1kW Totem-Pole PFC EVM Test Report. 2017. https://bit.ly/3inVzw2.
11Texas Instruments. High-Efficiency, 1.6-kW High-Density GaN-Based 1-MHz CrM Totem-Pole PFC Converter Reference Design. Design Guide: TIDA-00961. January 2018.
12S. Qin, Y. Lei, Z. Ye, D. Chou, and R.C.N. Pilawa-Podgurski. A High-Power-Density Power Factor Correction Front End Based on Seven-Level Flying Capacitor Multilevel Converter. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 7, No. 3, 1883–1898. Sept. 2019.
13Efficient Power Conversion. How to Design a Highly Efficient, 2.5 kW, Universal Input Voltage Range, Power Factor Correction (PFC) 400 V Rectifier Using 200 V eGaN??FETs. How2AppNote 016. 2020. https://bit.ly/32mrDec.
編輯：hfy
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論