使用GaN设计PFC整流器

GaN FET 在 AC/DC 功率因数校正 （PFC） 整流器中发挥着重要作用。后者具有非常简单的拓扑结构；在所有元件中，只有电感是磁性的，通常是恒频连续传导模式（CCM）电感。因此，可以直接展示 GaN FET 对 PFC 整流器性能的影响。

650V GaN FET 较低的寄生电容降低了开关损耗。此外，与 650-V Si MOSFET 相比，650-V GaN FET 在相同芯片尺寸内具有更低的导通电阻 （R on ），并且 GaN FET 消除了反向恢复损耗。使用 GaN FET 将开关电源的峰值效率提高到 99%。1-4尽管 GaN 成本仍然是行业广泛采用的障碍，但 GaN FET 可实现的性能（包括效率和密度改进）最终会对开关电源解决方案的总成本产生积极影响。本文详细研究了基于 GaN 的 PFC 整流器，回顾了 GaN 无桥 PFC 拓扑、控制和性能。

GaN PFC 拓扑

传统升压 PFC 仅使用一个有源开关，通常是 650V 超结 Si MOSFET。当今大多数传统开关电源使用升压 PFC，利用其简单性、低成本和可靠性。虽然用 650-V GaN FET 替换 650-V Si MOSFET 可以降低开关损耗，但这种效率提升并不显着——通常只有 0.1% 到 0.15% 左右。然而，用另一个 650V GaN FET 替换快速恢复二极管将显着降低损耗，因为FET上的低 R 消除了二极管传导损耗，而 GaN FET 消除了反向恢复损耗。这种变化可以提供大约 0.25% 的效率改进。

二极管桥引起的巨大传导损耗是开关损耗的另一个主要来源。用Si MOSFET上的低 R 替换二极管桥可以将效率提高约 0.4%。二极管电桥也可以用包括二极管电桥和 Si MOSFET 的混合器件结构代替。5混合器件可以以低成本降低从轻负载到重负载的传导损耗。

图 1：GaN 无桥 PFC 整流器拓扑包括 （a） 升压无桥 PFC、（b） 双升压无桥 PFC 和 （c） 图腾柱 PFC。（图片：德克萨斯大学奥斯汀分校）

双升压无桥 PFC 是另一种用于开关电源的流行拓扑。同样，Si MOSFET 可以用 650-V GaN FET 代替，效率提高大约 0.1% 到 0.15%，而更换快速恢复二极管可以再提高大约 0.25% 的效率。最后，在Si MOSFET 或混合 MOSFET上用低 R 替代低频二极管可以将效率再提高大约 0.25%。然而，双升压 PFC 具有两个交替升压阶段，器件和电感器的利用率低。

GaN 图腾柱 PFC 拓扑只有两个 GaN FET、两个 Si MOSFET（或混合开关）和一个电感器。这种拓扑使用比无桥升压 PFC 和双升压 PFC 更少的拓扑，并实现了对器件和电感器的更好利用。与双升压 PFC 相比，图腾柱 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 控制可基于以下调制策略进行总结：连续传导模式 （CCM）、临界传导模式 （CRM） 和准方波模式 （QSW）。对于CCM，开关频率是恒定的，高开关损耗导致开关频率相对较低；在这种情况下，通常用于升压 PFC 的传统平均电流控制可用于 GaN PFC。对于 CRM，可以利用传统的峰值电流控制和恒定导通时间控制，它们也用于升压 PFC。传统的 CRM 控制还集成了非连续导通模式 （DCM） 控制，可以限制峰值开关频率。

GaN PFC 经常讨论 QSW 模式操作和控制，因为消除开通损耗会导致更高的开关频率，这可以减小转换器的尺寸。为了实现 QSW 操作，已经讨论了基于过零检测 （ZCD） 的控制策略。3、4、6主要概念是控制器在接收到 ZCD 信号后，会延长同步整流器 （SR） 开关导通时间，以实现有源开关的零电压开关 （ZVS）。数字控制器根据平均输入和输出电压和电流信息计算延长的导通时间。然而，这种方法非常具有挑战性，因为需要快速准确的电流检测或 ZCD，特别是当开关频率扩展到几个 MHz 时。当系统中需要多相交错时，这种控制方法甚至具有挑战性。

另一种控制方法是基于变频脉宽调制（PWM）。7该方法将传统平均电流控制的核心部分用于 CCM 升压 PFC。这里的创新之处在于可以根据感测到的输入和输出电压和电流信息来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。平均电流控制环路确定占空比。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，因此可以通过变频 PWM 轻松实现多相交错。

表 I： GaN PFC 整流器的性能比较（来源：德克萨斯大学奥斯汀分校）

GaN PFC 性能

GaN PFC 整流器已经在学术界和工业界取得了成功。表一总结了各机构和公司取得的业绩。一般而言，可以实现 99% 的峰值效率——开关电源 PFC 的新高。这种效率性能将开关电源 PFC 的效率提升到一个新的水平。一些解决方案可以实现高达 99.2.% 的峰值效率。通常，较低的频率会牺牲较高的效率，从而导致较低的密度。

CCM GaN PFC 的另一个效率性能优势是该拓扑的重载效率并没有大幅低于其峰值效率，因为在降低 RMS 电流值，尤其是高频 AC RMS 方面，CCM 优于 QSW。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要高得多，但 QSW 从峰值到重负载值的效率下降比 CCM 更陡峭。

多级 GaN PFC 是一种极具吸引力的解决方案，可用于提高效率和密度。12，13多电平操作降低了电感上的电压秒并增加了等效操作频率，从而显着减小了电感尺寸。其他无源元件的尺寸也将减小。CCM 操作和低电流纹波也导致较低的传导损耗，特别是对于高频交流电流传导。较低的开关电压也是降低开关损耗的一个因素。

结论

电力电子设计人员可以通过使用 650V GaN FET 实现低开关损耗和零反向恢复损耗。在图 1 中讨论的拓扑中， GaN 图腾柱 PFC 整流器的开关数量最少，开关之间表现出对称操作，并能够最佳利用器件和电感器。GaN 图腾柱 PFC 可以通过 CCM 或 QSW 操作实现 99% 的峰值效率。QSW 操作消除了导通损耗，它是总开关损耗的主要部分；因此，与 CCM 操作相比，QSW 导致更高的开关频率和更高的功率密度。使用变频 PWM 可以解决 QSW 操作的变频 ZVS 控制挑战，它用变频载波代替传统 PWM 的恒频载波。这种 PWM 方法消除了高速电流感应或 ZCD 并解决了变频多相交错控制问题。

审核编辑：郭婷