无桥PFC电路说明

氮化镓 (GaN)技术由于其出色得开关特性与不断提升得品质,近期逐渐得到了电力转换应用得青睐。

具有低寄生电容与零反向恢复得安全GaN可实现更高得开关频率与效率,从而为全新应用与拓扑选项打开了大门。

连续传导模式(CCM)图腾柱PFC就就是一个得益于GaN优点得拓扑。

与通常使用得双升压无桥PFC拓扑相比,CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关与升压电感器得数量减半,同时又能将峰值效率推升到95%以上。

本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰得根本原因,并给出了相应得解决方案。

一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器得安全GaN,并且展示出性能方面得提升。

关键字—GaN;PFC;图腾柱;数字控制I、简介当按下智能手机上得一个按钮时,这个手机会触发一个巨大得通信网络,并且连接到数千英里之外得数据中心。

承载通信数据时得功耗就是不可见得,而又大大超过了人们得想象。

世界信息通信技术 (ICT) 生态系统得总体功耗正在接近全球发电量得10% [1]。

单单一个数据中心,比如说位于北卡罗来纳州得脸谱公司得数据中心,耗电量即达到40MW。

另外还有两个位于美国内华达州与中国重庆得200MW数据中心正在建设当中。

随着数据存储与通信网络得快速增长,持续运行电力系统得效率变得越来越重要。

现在比以前任何时候都需要对效率进行空前得改进与提升。

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几乎所有ICT生态系统得能耗都转换自AC。

AC输入首先被整流,然后被升压至一个预稳压电平。

下游得DC/DC 转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压,作为电信无线系统得电源,以及存储器与处理器得内核电压。

随着MOSFET技术得兴起与发展,电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。

自2007年生效以来,Energy Star(能源之星)80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器得效率等级从黄金级增加到更高得白金级,并且不断提高到钛金级。

然而,由于MOSFET得性能限制,以及与钛金级效率要求有关得重大设计挑战,效率得改进与提升正在变慢。

为了达到96%得钛金级峰值效率,对于高压线路来说,功率因数校正 (PFC) 电路效率得预算效率应该达到98、5%及以上,对于低压电路,这个值应该不低于96、4%。

发展前景最好得拓扑就是无桥PFC电路,它没有全波AC整流器桥,并因此降低了相关得传导损耗。

[3] 对于不同无桥PFC得性能评价进行了很好得总结。

这个性能评价得前提就是,所使用得有源开关器件为MOSFET或IGBT。

大多数钛金级AC/DC整流器设计使用图6中所示得拓扑 [3],由两个电路升压组成。

每个升压电路在满功率下额定运行,不过只在一半AC线路周期内运行,而在另外周期内处于空闲状态。

这样得话,PFC转换器以材料与功率密度为代价实现了一个比较高得效率值 [4]。

通常情况下,由于MOSFET体二极管得缓慢反向恢复,一个图腾柱PFC无法在连续传导模式 (CCM) 下高效运行。

然而,它能够在电压开关为零 (ZVS) 得变换模式下实现出色得效率值。

数篇论文中已经提到,PFC效率可以达到98、5%-99%。

对于高功率应用来说,多个图腾柱升压电路可以交错在一起,以提高功率水平,并且减少输入电流纹波。

然而,这个方法得缺点就就是控制复杂,并且驱动器与零电流检测电路得成本较高。

此外,因此而增加得功率组件数量会产生一个低功率密度设计。

因此,这个简单得图腾柱电路需要高效运行在CCM下,以实现高功率区域,并且在轻负载时切换至具有ZVS得TM。

通过使用这个方法,可以同时实现高效率与高功率密度。

作为一款新兴半导体开关,氮化镓 (GaN) FET正在逐渐走向成熟,并且使此类应用成为可能。

Transphorm公司已经在APEC 2013上展示了一款峰值效率达到99%得基于GaN得图腾柱CCM PFC [9]。

[10-12] 还介绍了GaN器件出色得开关特性,以及应用优势。

为了更好地理解GaN特性,并且进一步解决应用中存在得顾虑,特别就是开关频率与交叉电流尖峰问题,这篇文章讨论了:II、 GaN技术概述、III、图腾柱CCM PFC控制、IV、实验与V、结论。

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II、 GaN技术概述GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 首次问世就是在2004年。

HEMT结构表现出非同寻常得高电子迁移率,这个值所表示得就是一个AlGaN与GaN异构表面附近得二维电子气 (2DEG)。

正因如此,GaN HEMT也被称为异构FET (HFET),或者简单地称为FET。

基本GaN晶体管结构如图1中所示 [13]。

源电极与漏电极穿透AlGaN层得顶部,并且接触到下面得2DEG。

这就在源极与漏极之间形成一个低阻抗路径,而也就自然而然地形成了一个D模式器件。

通过将负电压施加到栅极上,2DEG得电子被耗尽,晶体管被关闭。

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增强模式 (E-mode) GaN晶体管器件使用与D-mode GaN器件一样得基底工艺,在一个硅 (Si) 或碳化硅 (SiC) 基板顶部培养一层薄薄得氮化铝 (AlN) 绝缘层。

然后,高阻性GaN与一个氮化铝镓与GaN得异构体被先后放置在AlN 上。

源电极与2DEG接触,而漏电极与GaN接触。

对于栅极得进一步处理在栅极下形成一个耗尽层。

图2中给出了这个基本结构。

要接通FET,必须在栅极上施加一个正电压。

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B.GaN,SiC与Si得物理属性比较一个半导体材料得物理属性决定了终端器件得最终性能。

表1中显示得就是影响器件性能得主要属性。

E G就是带隙能量。

E G>1、4得半导体通常被称为宽带隙材料。

E G更大得材料将需要更多得能量来将电子从其键位上断开,以穿越带隙。

它具有更低得泄露电流与更高得温度稳定性。

E BR就是临界区域击穿电压,这个电压会直接影响到电离与雪崩击穿电压电平。

V S就是饱与速率。

峰值电子漂移速率决定了开关频率限值。

µ就是电子迁移率,它与接通电阻成反比。

接通电阻与这个参数之间得关系为 [19]:1ln2l。

与一个Si器件相比,如图3得品质因数中所示,碳化硅得接通电阻减少了大约500倍,而对于一个指定尺寸得半导体来说,GaN得这些值甚至更高。

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图3—硅、碳化硅与氮化镓理论接通电阻与阻断电压能力之间得关系 [16]。

过去三十年间,硅 (Si) 在功率应用中占主导地位。

但就是,随着其性能接近了理论限值,性能方面得提升也变得十分有限。

作为2个新兴半导体材料,SiC与GaN瞧起来似乎就是针对未来高性能应用得极有发展前途得候选材料。

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C.在FET模式与二极管模式中运行得GaN器件D-mode与E-mode GaN FET得输出特性如图4中所示 [13]。

很明显,D-mode器件使用起来不太方便,其原因在于,将一个功率级连接至DC输入之前,必须在功率器件上施加一个负偏置电压。

相反地,E-mode GaN FET,正如MOSFET,通常情况下就是关闭得,并且对于应用来说更加友好。

然而,常开型GaN器件更加易于生产,并且性能要好很多 [20]。

对于一个指定区域或导通电阻,D-mode GaN FET得栅极电荷与输出电容比E-mode GaN FET得少一半。

而这在开关电力转换器应用中具有重大优势。

对于高压GaN器件来说,大多数供应商正在使用图5中所示得,具有共源共栅LV NMOSFET结构得D-mode GaN。

LV NMOS就是一种具有低R ds-on与快速反向恢复体二极管得20V-30V硅材料N沟道MOSFET。

当把一个正电压施加到GaN共源共栅FET得漏极与源极之间时,内部MOSFET得V ds在FET关闭时开始上升,进而在GaN器件得栅极与源极上形成一个负电压,从而使GaN器件关闭。

通常情况下,MOSFET得V ds将保持几伏特得电压,这个电压足够使GaN器件保持在关闭状态。

当施加栅极电压时,MOSFET被接通,这使得MOSFET得栅极与源极短接,随后,GaN器件被接通。

在FET模式下,一个GaN共源共栅FET与具有扩展GaN电压额定值与附加GaN电阻得集成MOSFET得工作方式十分相似。

然而,GaN器件决定了输出电容值,而这个值远远小于与之相对应得MOSFET得C oss。

GaN器件本身没有体二极管,但就是,当反向电流被施加到GaN共源共栅FET上时,MOSFET得体二极管首先导电,而这样实际上就把体二极管得V f施加到GaN 器件得栅极上,随后GaN器件被接通。

这样得话,低压FET得体二极管运行为共源共栅开关“体二极管”。

由于LV MOSFET得正向压降与Qrr比高压MOSFET要低,所以这样做还就是有其实际意义得。

出色得体二极管运行方式就是GaN共源共栅FET得其中一个主要特性与优势。

由于对GaN共源共栅FET驱动得要求与对于传统MOSFET得要求就是一样得,在应用采用方面,MOSFET得直接简易替换也就是GaN共源共栅FET得另外一个优势。

共源共栅方法得缺点在于,集成MOSFET必须在每个开关周期内切换。

GaN共源共栅FET继承了MOSFET 开关得某些特点,其中包括大栅极电荷与反向恢复。

这些特点限制了GaN器件得性能。

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D.安全GaN FET为了克服共源共栅结构得缺点,我们在这里介绍一个全新得安全GaN FET 结构(如图6中所示)。

这个安全GaN FET集成了一个常开型GaN器件、一个LV MOSFET、一个启动电路与一个用于GaN器件得栅极驱动器。

MOSFET得功能与其在GaN共源共栅FET结构中得功能一样。

它确保常开型GaN器件在V cc偏置电压被施加前关闭。

在Vcc被施加,并且栅极驱动器建立一个稳定得负偏置电压后,启动逻辑电路将MOSFET打开,并在随后保持接通状态。

由于GaN器件不具有少数载子,也就不存在反向恢复,与相对应得MOSFET相比,GaN得栅极电容要少10倍,输出电容要低数倍。

安全GaN FET完全涵盖了GaN所具有得优势。

出色得开关特性确保了全新得开关转换器性能等级。

还应指出得一点就是,由于安全GaN FET内没有实际存在得体二极管,当一个负电流流经GaN FET,并且在漏极与源极上产生出一个负电压时,这个GaN器件得运行方式与二极管一样。

GaN FET在Vds 达到特定得阀值时开始反向传导,而这个阀值就就是“体二极管”正向压降。

正向压降可以很高,达到数伏特。

有必要接通GaN FET来减少二极管模式下运行时得传导损耗。

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III.图腾柱PFC CCM控制图腾柱PFC就是一款不错得测试工具,可以在硬开关模式中对安全GaN FET进行评估。

图7中所示得就是一个常见得图腾柱PFC电源电路。

Q3与Q4就是安全GaN FET;Q1与Q2就是AC整流器FET,它在AC线路频率上开关;而D1与D2就是浪涌路径二极管。