本文介绍了一种最终采用氮化镓(GaN)设计的无散热片同步CCM-PFC(连续导通模式功率因数校正器)。通过使用GaN系统级封装和专用控制器，实现并优化了一款实际原型机。与基于硅(Si)的同系统方案相比，采用GaN的方案可使最大负载达到300瓦，峰值效率高达98.5%。因此，GaN开关管能够在安全的低温下工作，即使像传统PFC方案那样不使用散热片，也能避免过热问题。

工业三相电机驱动器的电源通常需要一个预调节功率因数校正器，以降低输入电流失真，并确保符合谐波含量法规。现有技术方案通常使用简单的反相校正器来获得接近单位的功率因数，但这会带来显著的谐波失真和功率损耗。

有源PFC调节器能够最大限度地降低总谐波失真并提高整体效率。残余的功率损耗通常通过散热片耗散，但这对于液压泵等应用并不适用。在这种情况下，散热片由泵排出的液流冷却，但由于液体与泵体之间的温差，会导致冷凝问题。因此，在这一细分市场中，对高功率密度、高效且无散热片的设计需求很高。为应对这些挑战，基于GaN的连续导通模式升压预调节PFC通过最大限度地降低功率损耗和消除散热片需求，提供了一种可行的解决方案。

为此，我们采用功率GaN系统级封装[1]开发了一款300瓦、适用于欧洲电网范围的同步PFC原型机，实现了高功率因数和低总谐波失真。这一成果的实现还得益于一款专用控制器[2]，它通过放置在GND返回电流路径上的分流电阻来检测电感电流。

主要规格与系统描述

该同步CCM-PFC升压变换器原型板的主要特性如下：

· 输入电压： 230 VAC，50 Hz 标称值(工作范围：185-265 VAC，45-65 Hz)

· 稳压输出电压 (VOUT)： 400 VDC

· 额定输出功率 (POUT_MAX)： 300 W

· 输入电流失真 (THD)： 从满载到20%负载，< 10%

· 功率因数 (PF)： 从满载到20%负载，> 0.9

· 变换器峰值效率 (η)： 98%

· 开关频率 (FSW)： 65 kHz

· 电源谐波： 符合EN61000-3-2 Class-D和JEITA-MITI Class-D标准

· 电磁干扰： 符合EN55022 Class-B标准

· PCB： 双面，70 µm，FR-4材料

图1展示了评估板原型，它由一块主板和一块通过专用连接器连接的子板组成。主板包含输入共模EMI滤波器、桥式整流器以及专为高达300瓦的CCM应用设计的升压电感。与标准PFC设计一样，一个小值输入电容和一个输出大容量电容构成了升压电路的基本框架。

图1

该PFC在满载下由专用控制器实现在CCM模式下工作。借助ZCD(过零检测)电路，它也能在DCM(断续导通模式)或临界导通模式下工作。

图2所示的子板集成了PFC的核心，可认为由三个主要模块组成：

· 基于GaN的半桥(带板载VCC电源)。

· 控制逻辑，从PFC控制器信号生成两路互补驱动信号，并加入可调的死区时间。

· 用于检测电流过零点的高速、低功耗比较器。该模块与前一模块配合，尽可能延长高边开关的正向导通时间。这通过防止负电感电流(从而避免能量回流)来提高效率。

子板的其他特性包括：在PFC控制器开启前工作的自启动逻辑，以及与过渡模式PFC兼容的ZCD功能。其专用PCB设计紧凑，同时确保了足够的散热性能，特别是针对产生大部分热量的低边开关。为此，在其裸露焊盘附近设计了较大的铜皮区域和30个导热过孔。PCB设计优化的详细信息见参考文献[3]。

图2

实验结果

以下波形显示了同步PFC在轻载(图3a)和满载(图3b)下的工作状态。请注意，即使在负载减小时，电感电流也始终为正。

图3a

图3b

正弦波峰值和过零点附近的开关工作细节分别如图4a和图4b所示。

图4a

图4b

即使在轻载下，ZCD比较器也能正常工作，使电路能够进入DCM工作模式，如图5a和图5b所示。系统的正常工作确保了接近单位的功率因数和低THD。

图5a

图5b

效率测量及与传统方案的比较

初始原型机采用传统CCM PFC(工作于65 kHz)的典型参数和尺寸进行设计。该设计使用硅mosfet作为低边开关、碳化硅二极管作为高边整流管进行了测试。随后，在相同条件下，使用无散热片的GaN半桥进行了第二次测试。为公平比较，GaN和硅MOSFET的导通电阻RDS(on)选用了相近的值。

表1

表2

收集到的效率测量数据和热性能数据记录在表1中。这些初步结果表明，基于GaN的同步方案能够实现更高效率的设计，并支持更高的输出功率。

最终设计通过使用较低的电感值进行了优化，使变换器主要在DCM模式下工作，仅在有限情况下进入CCM模式。同时选用了更小的检测电阻，以缓解动态限制并提高整体效率。最终版本分别在130 kHz和65 kHz下进行了测试，并比较了每种情况下的性能和效率。如表2所示，65 kHz的工作频率可实现更高的输出功率和整体效率。