使用GaN設計PFC整流器

GaN FET 在 AC/DC 功率因數校正 （PFC） 整流器中發揮著重要作用。后者具有非常簡單的拓撲結構；在所有元件中，只有電感是磁性的，通常是恒頻連續傳導模式（CCM）電感。因此，可以直接展示 GaN FET 對 PFC 整流器性能的影響。

650V GaN FET 較低的寄生電容降低了開關損耗。此外，與 650-V Si MOSFET 相比，650-V GaN FET 在相同芯片尺寸內具有更低的導通電阻 （R on ），并且 GaN FET 消除了反向恢復損耗。使用 GaN FET 將開關電源的峰值效率提高到 99%。1-4盡管 GaN 成本仍然是行業廣泛采用的障礙，但 GaN FET 可實現的性能（包括效率和密度改進）最終會對開關電源解決方案的總成本產生積極影響。本文詳細研究了基于 GaN 的 PFC 整流器，回顧了 GaN 無橋 PFC 拓撲、控制和性能。

GaN PFC 拓撲

傳統升壓 PFC 僅使用一個有源開關，通常是 650V 超結 Si MOSFET。當今大多數傳統開關電源使用升壓 PFC，利用其簡單性、低成本和可靠性。雖然用 650-V GaN FET 替換 650-V Si MOSFET 可以降低開關損耗，但這種效率提升并不顯著——通常只有 0.1% 到 0.15% 左右。然而，用另一個 650V GaN FET 替換快速恢復二極管將顯著降低損耗，因為FET上的低 R 消除了二極管傳導損耗，而 GaN FET 消除了反向恢復損耗。這種變化可以提供大約 0.25% 的效率改進。

二極管橋引起的巨大傳導損耗是開關損耗的另一個主要來源。用Si MOSFET上的低 R 替換二極管橋可以將效率提高約 0.4%。二極管電橋也可以用包括二極管電橋和 Si MOSFET 的混合器件結構代替。5混合器件可以以低成本降低從輕負載到重負載的傳導損耗。

圖 1：GaN 無橋 PFC 整流器拓撲包括 （a） 升壓無橋 PFC、（b） 雙升壓無橋 PFC 和 （c） 圖騰柱 PFC。（圖片：德克薩斯大學奧斯汀分校）

雙升壓無橋 PFC 是另一種用于開關電源的流行拓撲。同樣，Si MOSFET 可以用 650-V GaN FET 代替，效率提高大約 0.1% 到 0.15%，而更換快速恢復二極管可以再提高大約 0.25% 的效率。最后，在Si MOSFET 或混合 MOSFET上用低 R 替代低頻二極管可以將效率再提高大約 0.25%。然而，雙升壓 PFC 具有兩個交替升壓階段，器件和電感器的利用率低。

GaN 圖騰柱 PFC 拓撲只有兩個 GaN FET、兩個 Si MOSFET（或混合開關）和一個電感器。這種拓撲使用比無橋升壓 PFC 和雙升壓 PFC 更少的拓撲，并實現了對器件和電感器的更好利用。與雙升壓 PFC 相比，圖騰柱 PFC 的效率和密度也可能更高一些，并且成本更低。

GaN PFC 控制

GaN PFC 控制可基于以下調制策略進行總結：連續傳導模式 （CCM）、臨界傳導模式 （CRM） 和準方波模式 （QSW）。對于CCM，開關頻率是恒定的，高開關損耗導致開關頻率相對較低；在這種情況下，通常用于升壓 PFC 的傳統平均電流控制可用于 GaN PFC。對于 CRM，可以利用傳統的峰值電流控制和恒定導通時間控制，它們也用于升壓 PFC。傳統的 CRM 控制還集成了非連續導通模式 （DCM） 控制，可以限制峰值開關頻率。

GaN PFC 經常討論 QSW 模式操作和控制，因為消除開通損耗會導致更高的開關頻率，這可以減小轉換器的尺寸。為了實現 QSW 操作，已經討論了基于過零檢測 （ZCD） 的控制策略。3、4、6主要概念是控制器在接收到 ZCD 信號后，會延長同步整流器 （SR） 開關導通時間，以實現有源開關的零電壓開關 （ZVS）。數字控制器根據平均輸入和輸出電壓和電流信息計算延長的導通時間。然而，這種方法非常具有挑戰性，因為需要快速準確的電流檢測或 ZCD，特別是當開關頻率擴展到幾個 MHz 時。當系統中需要多相交錯時，這種控制方法甚至具有挑戰性。

另一種控制方法是基于變頻脈寬調制（PWM）。7該方法將傳統平均電流控制的核心部分用于 CCM 升壓 PFC。這里的創新之處在于可以根據感測到的輸入和輸出電壓和電流信息來改變三角載波信號的頻率。改變三角載波頻率會改變開關頻率。平均電流控制環路確定占空比。這種控制方法的關鍵概念是對于 QSW 操作，占空比和 PWM 載波頻率是兩個獨立的自由度。這種方法消除了高速電流檢測或 ZCD 步驟。由于 PWM 載波始終同步，因此可以通過變頻 PWM 輕松實現多相交錯。

表 I： GaN PFC 整流器的性能比較（來源：德克薩斯大學奧斯汀分校）

GaN PFC 性能

GaN PFC 整流器已經在學術界和工業界取得了成功。表一總結了各機構和公司取得的業績。一般而言，可以實現 99% 的峰值效率——開關電源 PFC 的新高。這種效率性能將開關電源 PFC 的效率提升到一個新的水平。一些解決方案可以實現高達 99.2.% 的峰值效率。通常，較低的頻率會犧牲較高的效率，從而導致較低的密度。

CCM GaN PFC 的另一個效率性能優勢是該拓撲的重載效率并沒有大幅低于其峰值效率，因為在降低 RMS 電流值，尤其是高頻 AC RMS 方面，CCM 優于 QSW。QSW GaN PFC 整流器通常具有更高的功率密度，因為它們的開關頻率要高得多，但 QSW 從峰值到重負載值的效率下降比 CCM 更陡峭。

多級 GaN PFC 是一種極具吸引力的解決方案，可用于提高效率和密度。12，13多電平操作降低了電感上的電壓秒并增加了等效操作頻率，從而顯著減小了電感尺寸。其他無源元件的尺寸也將減小。CCM 操作和低電流紋波也導致較低的傳導損耗，特別是對于高頻交流電流傳導。較低的開關電壓也是降低開關損耗的一個因素。

結論

電力電子設計人員可以通過使用 650V GaN FET 實現低開關損耗和零反向恢復損耗。在圖 1 中討論的拓撲中， GaN 圖騰柱 PFC 整流器的開關數量最少，開關之間表現出對稱操作，并能夠最佳利用器件和電感器。GaN 圖騰柱 PFC 可以通過 CCM 或 QSW 操作實現 99% 的峰值效率。QSW 操作消除了導通損耗，它是總開關損耗的主要部分；因此，與 CCM 操作相比，QSW 導致更高的開關頻率和更高的功率密度。使用變頻 PWM 可以解決 QSW 操作的變頻 ZVS 控制挑戰，它用變頻載波代替傳統 PWM 的恒頻載波。這種 PWM 方法消除了高速電流感應或 ZCD 并解決了變頻多相交錯控制問題。

審核編輯：郭婷