基于GaN的PFC整流器及GaN無橋PFC拓撲、控制和性能

作者：Qingyun Huang、Qingxuan Ma和Alex Q. Huang

盡管GaN的成本仍然是其受到業界廣泛采用的一大障礙，但GaN FET所能實現的性能，包括效率和密度的提高，最終都將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，并回顧了GaN無橋PFC拓撲、控制和性能。

GaN FET在AC/DC功率因數校正（PFC）整流器中起著重要作用。后者具有非常簡單的拓撲。在所有元器件中，只有電感是磁性的，而且通常是恒定頻率連續導通模式（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損耗。此外，與650V Si MOSFET相比，在相同芯片尺寸內，650V GaN FET具有更低的導通電阻（Ron），并且GaN FET消除了反向恢復損耗。GaN FET可使開關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界廣泛采用的障礙，但GaN FET所能實現的性能，包括效率和密度的提高，最終都將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，并回顧了GaN無橋PFC拓撲、控制和性能。

GaN PFC拓撲

傳統的升壓PFC僅使用一個有源開關，通常是650V超結Si MOSFET。當今，大多數常規開關電源都采用升壓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650V GaN FET替換快速恢復二極管，則可大大降低損耗，因為使用低Ron?FET可以消除二極管的傳導損耗，而GaN FET可以消除反向恢復損耗。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損耗，是開關損耗的另一個主要來源。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的混合器件結構代替。5混合器件可以以低成本降低從輕載到重載的傳導損耗。

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。（圖片來源：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，用650V GaN FET代替Si MOSFET，可實現約0.1%至0.15%的效率提高，而替換快速恢復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拓撲僅具有兩個GaN FET、兩個Si MOSFET（或混合開關）和一個電感。這種拓撲使用的元器件比無橋升壓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控制可以根據以下調制策略進行總結：連續導通模式（CCM）、臨界導通模式（CRM）和準方波模式（QSW）。對于CCM，開關頻率恒定，因此較高的開關損耗會導致較低的開關頻率。在這種情況下，可以將升壓PFC常用的傳統平均電流控制用于GaN PFC。對于CRM，則可以利用傳統的峰值電流控制和恒定導通時間控制——二者在升壓PFC中也被采用。傳統的CRM控制還集成了非連續導通模式（DCM）控制，而可以對峰值開關頻率進行限制。

在GaN PFC方面，QSW模式工作和控制經常受到討論，因為消除導通損耗可實現更高的開關頻率，從而可減小轉換器的尺寸。為了實現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）開關的導通時間，以實現有源開關的零電壓開關（ZVS）。數字控制器將根據輸入輸出電壓電流的平均值信息計算延長的導通時間。但是，由于需要快速而準確的電流檢測或ZCD，因此這種方法極具挑戰性，尤其是在將開關頻率擴展到數MHz時更是如此。當系統中需要采用多相交錯時，這種控制方法甚至更具挑戰性。

另一種控制方法是基于變頻脈沖寬度調制（PWM）。7這種方法將傳統平均電流控制的核心部分用于CCM升壓PFC。此處的創新之處在于，可以根據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。改變三角載波頻率可改變開關頻率。平均電流控制環路決定了占空比。這種控制方法的關鍵概念是，對于QSW工作，占空比和PWM載波頻率是兩個獨立的自由度。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輕松實現多相交錯。

表1：GaN PFC整流器的性能比較。（表格來源：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產業界取得了成功。表1總結了幾家機構和公司所取得的業績。通常，其可以實現99%的峰值效率，這是開關電源PFC的一個新高。這種效率表現將開關電源PFC的效率提升到了一個新水平。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，該拓撲的重載效率不會顯著低于其峰值效率，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，因為其開關頻率要高得多，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現較低的傳導損耗，尤其是對于高頻AC電流傳導更是如此。較低開關電壓也是減少開關損耗的一個因素。

總結

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討論的拓撲中，GaN圖騰柱PFC整流器具有最少的開關數量，在開關之間表現出對稱的工作，并能對器件和電感實現最佳利用。GaN圖騰柱PFC可以通過CCM或QSW工作達到99%的峰值效率。QSW工作消除了導通損耗——這是總開關損耗的主要部分。因此，與CCM工作相比，QSW可實現更高的開關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控制的問題。將多級技術應用于GaN PFC，則可通過CCM工作實現高效率和高密度。

參考文獻

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.

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