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利用GaN设计PFC整流器

2021-03-08 Qingyun Huang、Qingxuan Ma和Alex Q. Huang 阅读:
尽管GaN的成本仍然是其受到业界广泛采用的一大障碍,但GaN FET所能实现的性能,包括效率和密度的提高,最终都将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,并回顾了GaN无桥PFC拓扑、控制和性能。

Alex Q. Huang教授是美国德州大学奥斯汀分校半导体功率电子中心(SPEC)工程主任,IEEE Fellow,获得中国电子科技大学硕士和英国剑桥大学电子工程博士学位。UJFednc

GaN FET在AC/DC功率因数校正(PFC)整流器中起着重要作用。后者具有非常简单的拓扑。在所有元器件中,只有电感是磁性的,而且通常是恒定频率连续导通模式(CCM)电感。因此,可以直接显示GaN FET对PFC整流器性能的影响。UJFednc

650V GaN FET较低的寄生电容可降低开关损耗。此外,与650V Si MOSFET相比,在相同芯片尺寸内,650V GaN FET具有更低的导通电阻(Ron),并且GaN FET消除了反向恢复损耗。GaN FET可使开关电源的峰值效率提高到99%。1-4尽管GaN的成本仍然是其获得业界广泛采用的障碍,但GaN FET所能实现的性能,包括效率和密度的提高,最终都将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,并回顾了GaN无桥PFC拓扑、控制和性能。UJFednc

GaN PFC拓扑

传统的升压PFC仅使用一个有源开关,通常是650V超结Si MOSFET。当今,大多数常规开关电源都采用升压PFC,从而充分利用其简单性、低成本和可靠性。用650V GaN FET代替650V Si MOSFET可以减少开关损耗,但是效率的提高并不明显——通常只有0.1%至0.15%。但是,用另一个650V GaN FET替换快速恢复二极管,则可大大降低损耗,因为使用低Ron FET可以消除二极管的传导损耗,而GaN FET可以消除反向恢复损耗。这种变化可以使效率提高约0.25%。UJFednc

二极管电桥造成的巨大传导损耗,是开关损耗的另一个主要来源。用低Ron Si MOSFET代替二极管电桥,可以将效率提高约0.4%。二极管电桥也可以用包含二极管电桥和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载到重载的传导损耗。UJFednc

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1GaN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。(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校)UJFednc

双升压无桥PFC是另一种用于开关电源的流行拓扑。同样,用650V GaN FET代替Si MOSFET,可实现约0.1%至0.15%的效率提高,而替换快速恢复二极管则可以带来约0.25%的效率提高。最后,用低Ron Si MOSFET或混合MOSFET替代低频二极管,可以将效率再提高约0.25%。但是,双升压PFC由于具有两个交替升压阶段,因此对器件和电感的利用率较低。UJFednc

GaN图腾柱PFC拓扑仅具有两个GaN FET、两个Si MOSFET(或混合开关)和一个电感。这种拓扑使用的元器件比无桥升压PFC和双升压PFC都要少,而且可以更好地利用器件和电感。图腾柱PFC的效率和密度也可以比双升压PFC更高,并且成本更低。UJFednc

GaN PFC控制

GaN PFC控制可以根据以下调制策略进行总结:连续导通模式(CCM)、临界导通模式(CRM)和准方波模式(QSW)。对于CCM,开关频率恒定,因此较高的开关损耗会导致较低的开关频率。在这种情况下,可以将升压PFC常用的传统平均电流控制用于GaN PFC。对于CRM,则可以利用传统的峰值电流控制和恒定导通时间控制——二者在升压PFC中也被采用。传统的CRM控制还集成了非连续导通模式(DCM)控制,而可以对峰值开关频率进行限制。UJFednc

在GaN PFC方面,QSW模式工作和控制经常受到讨论,因为消除导通损耗可实现更高的开关频率,从而可减小转换器的尺寸。为了实现QSW工作,基于过零检测(ZCD)的控制策略受到讨论。3,4,6主要概念是,控制器在接收到ZCD信号后,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)。数字控制器将根据输入输出电压电流的平均值信息计算延长的导通时间。但是,由于需要快速而准确的电流检测或ZCD,因此这种方法极具挑战性,尤其是在将开关频率扩展到数MHz时更是如此。当系统中需要采用多相交错时,这种控制方法甚至更具挑战性。UJFednc

另一种控制方法是基于变频脉冲宽度调制(PWM)。7这种方法将传统平均电流控制的核心部分用于CCM升压PFC。此处的创新之处在于,可以根据检测到的输入电压与电流及输出电压与电流信息来更改三角载波信号的频率。改变三角载波频率可改变开关频率。平均电流控制环路决定了占空比。这种控制方法的关键概念是,对于QSW工作,占空比和PWM载波频率是两个独立的自由度。这种方法省去了高速电流检测或ZCD步骤。由于PWM载波始终保持同步,因此可以通过变频PWM轻松实现多相交错。UJFednc

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1GaN PFC整流器的性能比较。(表格来源:德克萨斯大学奥斯汀分校)UJFednc

GaN PFC性能

GaN PFC整流器已经在学术界和产业界取得了成功。1总结了几家机构和公司所取得的业绩。通常,其可以实现99%的峰值效率,这是开关电源PFC的一个新高。这种效率表现将开关电源PFC的效率提升到了一个新水平。一些解决方案可以使峰值效率提高到99.2%。通常,较低的频率会牺牲较高的效率,从而导致较低的密度。UJFednc

CCM GaN PFC的另一个效率性能优势是,该拓扑的重载效率不会显著低于其峰值效率,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,因为其开关频率要高得多,但是,QSW的效率从峰值到重载值的下降比CCM更为陡峭。UJFednc

多级GaN PFC是种提高效率和密度的诱人解决方案。12,13多级工作可降低电感上的伏秒积,从而使等效工作频率提高,进而使电感尺寸大幅减小。其他无源元件的尺寸也将得到减小。CCM工作和低电流纹波也能实现较低的传导损耗,尤其是对于高频AC电流传导更是如此。较低开关电压也是减少开关损耗的一个因素。UJFednc

总结

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1讨论的拓扑中,GaN图腾柱PFC整流器具有最少的开关数量,在开关之间表现出对称的工作,并能对器件和电感实现最佳利用。GaN图腾柱PFC可以通过CCM或QSW工作达到99%的峰值效率。QSW工作消除了导通损耗——这是总开关损耗的主要部分。因此,与CCM工作相比,QSW可实现更高的开关频率和更高的功率密度。QSW工作的变频ZVS控制难题,可通过使用变频PWM予以解决,也即将传统PWM的恒定频率载波替换为可变频率载波。这种PWM方法省去了高速电流检测或ZCD,解决了变频多相交错控制的问题。将多级技术应用于GaN PFC,则可通过CCM工作实现高效率和高密度。UJFednc

参考文献

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.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

8Infineon. 2500 W full-bridge totem-pole power factor correction using CoolGaN. Application note. May 2018. https://bit.ly/3kfdRQJ.UJFednc

9GaN Systems. 3kW High-Efficiency CCM Bridgeless Totem Pole PFC Reference Design using GaN E-HEMTs. Application note. https://bit.ly/3bRUTwc.UJFednc

10Texas Instruments. PMP20873 – 1kW Totem-Pole PFC EVM Test Report. 2017. https://bit.ly/3inVzw2.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

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.UJFednc

(本文授权编译自EDN姐妹网站Power Electronics News,原文参考链接:Designing PFC Rectifiers with GaN,由赵明灿编译)UJFednc

本文为《电子技术设计》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里UJFednc

(责编:赵明灿)UJFednc

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