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基于GaN技术的功率因数校正整流器

作者: 浮思特科技2024-06-05 14:29:36

  交流/直流电源因数校正(PFC)整流器从GaN FET中受益匪浅。它们具有非常简单的拓扑结构;电感器是唯一的磁性部件,通常是一个恒频连续导通模式(CCM)电感器。GaN FET对PFC整流器性能的影响可以直接展示出来。

  650V GaN FET的较低寄生电容减少了开关损耗。此外,与650V硅mosfet相比,650V GaN FET在相同芯片尺寸下具有较低的导通电阻(Ron),并且GaN FET消除了反向恢复损耗。使用GaN FET可将开关电源的峰值效率提高到99%。尽管GaN的成本仍然是广泛行业采用的障碍,但GaN FET实现的性能,包括效率和密度的提升,最终对开关电源解决方案的总成本产生积极影响。本文详细探讨了基于GaN的PFC整流器,回顾了GaN无桥PFC拓扑结构、控制和性能。

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  GaN PFC拓扑结构

  传统的升压PFC只使用一个有源开关,通常是一个650V的超结硅MOSFET。大多数传统的开关电源今天使用升压PFC,利用其简单、低成本和可靠性。虽然用650V GaN FET替换650V硅MOSFET可以减少开关损耗,但这种效率提升并不显著——通常只有0.1%到0.15%。然而,用另一个650V GaN FET替换快速恢复二极管将显著降低损耗,因为低Ron FET消除了二极管导通损耗,并且GaN FET消除了反向恢复损耗。这种变化可以提供约0.25%的效率提升。

  由于二极管桥的庞大导通损耗是另一个主要的开关损耗来源。用低Ron硅MOSFET替换二极管桥可以提高约0.4%的效率。二极管桥还可以用包含二极管桥和硅MOSFET的混合器件结构替换。混合器件可以在低成本下减少从轻负载到重负载的导通损耗。

  双升压无桥PFC是开关电源中使用的另一种流行拓扑结构。同样,可以用650V GaN FET替换硅MOSFET,以获得约0.1%到0.15%的效率提升,并且替换快速恢复二极管可以再获得约0.25%的效率提升。最后,用低Ron硅MOSFET或混合MOSFET替换低频二极管可以再提高约0.25%的效率。然而,具有两个交替升压相位的双升压PFC对器件和电感器的利用率较低。

  GaN图腾柱PFC拓扑结构只有两个GaN FET、两个硅MOSFET(或混合开关)和一个电感器。该拓扑结构比无桥升压PFC和双升压PFC使用更少的器件,并实现了更好的器件和电感器利用率。与双升压PFC相比,图腾柱PFC的效率和密度也稍高,成本更低。

  GaN PFC控制

  GaN PFC控制可以根据以下调制策略总结:连续导通模式(CCM)、临界导通模式(CRM)和准方波模式(QSW)。对于CCM,开关频率是恒定的,高开关损耗导致相对较低的开关频率;传统的平均电流控制,通常用于升压PFC,可以在这种情况下用于GaN PFC。对于CRM,传统的峰值电流控制和恒定导通时间控制也可以用于升压PFC。传统的CRM控制还集成了不连续导通模式(DCM)控制,可以限制峰值开关频率。

  由于消除了导通损耗,QSW模式的操作和控制通常在GaN PFC中讨论,这导致了更高的开关频率,可以减小转换器的尺寸。为了实现QSW操作,基于零交叉检测(ZCD)的控制策略已经被讨论。主要概念是,在接收到ZCD信号后,控制器将延长同步整流器(SR)开关的导通时间,以实现有源开关的零电压开关(ZVS)。数字控制器基于平均输入和输出电压和电流信息来计算延长的导通时间。然而,这种方法非常具有挑战性,因为需要快速和精确的电流检测或ZCD,尤其是在开关频率扩展到几MHz时。当系统中需要多相交错时,这种控制方法甚至更具挑战性。

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  另一种控制方法是基于可变频率脉宽调制(PWM)。这种方法使用传统平均电流控制的核心部分用于CCM升压PFC。这里的创新在于可以根据检测到的输入和输出电压和电流信息改变三角载波信号的频率。改变三角载波频率会改变开关频率。平均电流控制环决定占空比。这种控制方法的关键概念是,对于QSW操作,占空比和PWM载波频率是两个独立的自由度。这种方法消除了高速电流检测或ZCD步骤。由于PWM载波始终同步,可变频率PWM可以很容易地实现多相交错。

  GaN PFC性能

  GaN PFC整流器在学术界和工业界已经展示了成功的应用。表I总结了各机构和公司实现的性能。一般来说,99%的峰值效率——开关电源PFC的新高——可以实现。这种效率性能将开关电源PFC的效率提升到了一个新水平。一些解决方案可以实现高达99.2%的峰值效率。通常,较低频率牺牲了较高效率,导致较低的密度。

  CCM GaN PFC的另一个效率性能优势是,该拓扑结构的重载效率不会显著低于其峰值效率,因为CCM在减少RMS电流值方面优于QSW,尤其是高频交流RMS。QSW GaN PFC整流器通常具有更高的功率密度,因为它们的开关频率高得多,但从峰值到重载值的效率下降比CCM更陡峭。

  多级GaN PFC是实现效率和密度提升的有吸引力的解决方案。多级操作减少了电感器上的伏秒,并提高了等效操作频率,从而显著减少了电感器的尺寸。其他无源元件的尺寸也将减小。CCM操作和低电流波动也导致较低的导通损耗,特别是对于高频交流电流导通。较低的开关电压也是减少开关损耗的一个因素。

  总结

  电源电子设计师可以通过使用650V GaN FET实现低开关损耗和零反向恢复损耗。在图1中讨论的拓扑结构中,GaN图腾柱PFC整流器具有最少的开关数,表现出开关之间的对称操作,并实现了最佳的器件和电感器利用率。GaN图腾柱PFC可以通过CCM或QSW操作实现99%的峰值效率。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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