无桥PFC电路说明

氮化镓 (GaN)技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质，近期逐渐得到了电力转换应用的青睐。具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率，从而为全新应用和拓扑选项打开了大门。连续传导模式 (CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN优点的拓扑。与通常使用的双升压无桥PFC拓扑相比，CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关和升压电感器的数量减半，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的根本原因，并给出了相应的解决方案。一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN，并且展示出性能方面的提升。

关键字—GaN；PFC；图腾柱；数字控制

I. 简介

当按下智能手机上的一个按钮时，这个手机会触发一个巨大的通信网络，并且连接到数千英里之外的数据中心。承载通信数据时的功耗是不可见的，而又大大超过了人们的想象。世界信息通信技术 (ICT) 生态系统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。单单一个数据中心，比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司的数据中心，耗电量即达到40MW。另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。随着数据存储和通信网络的快速增长，持续运行电力系统的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的改进与提升。

几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。AC输入首先被整流，然后被升压至一个预稳压电平。下游的DC/DC 转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压，作为电信无线系统的电源，以及存储器和处理器的内核电压。

随着MOSFET技术的兴起和发展，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整流器的效率等级从黄金级增加到更高的白金级，并且不断提高到钛金级。然而，由于MOSFET的性能限制，以及与钛金级效率要求有关的重大设计挑战，效率的改进与提升正在变慢。为了达到96%的钛金级峰值效率，对于高压线路来说，功率因数校正 (PFC) 电路效率的预算效率应该达到98.5%及以上，对于低压电路，这个值应该不低于96.4%。发展前景最好的拓扑是无桥PFC 电路，它没有全波AC整流器桥，并因此降低了相关的传导损耗。[3] 对于不同无桥PFC的性能评价进行了很好的总结。这个性能评价的前提是，所使用的有源开关器件为MOSFET或IGBT。大多数钛金级AC/DC整流器设计使用图6中所示的拓扑 [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。这样的话，PFC转换器以材料和功率密度为代价实现了一个比较高的效率值 [4]。通常情况下，由于MOSFET体二极管的缓慢反向恢复，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) 的变换模式下实现出色的效率值。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，这个方法的缺点就是控制复杂，并且驱动器和零电流检测电路的成本较高。此外，因此而增加的功率组件数量会产生一个低功率密度设计。因此，这个简单的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的TM。通过使用这个方法，可以同时实现高效率和高功率密度。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%的基于GaN的图腾柱CCM PFC [9]。[10-12] 还介绍了GaN器件出色的开关特性，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的顾虑，特别是开关频率和交叉电流尖峰问题，这篇文章讨论了：II. GaN技术概述、III. 图腾柱CCM PFC控制、IV. 实验和V. 结论。

II. GaN技术概述

GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 首次问世是在2004年。HEMT结构表现出非同寻常的高电子迁移率，这个值所表示的是一个AlGaN和GaN异构表面附近的二维电子气 (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]。源电极和漏电极穿透AlGaN层的顶部，并且接触到下面的2DEG。这就在源极和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的电子被耗尽，晶体管被关闭。

增强模式 (E-mode) GaN晶体管器件使用与D-mode GaN器件一样的基底工艺，在一个硅 (Si) 或碳化硅 (SiC) 基板顶部培养一层薄薄的氮化铝 (AlN) 绝缘层。然后，高阻性GaN和一个氮化铝镓与GaN的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。对于栅极的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。

B．GaN，SiC和Si的物理属性比较

一个半导体材料的物理属性决定了终端器件的最终性能。表1中显示的是影响器件性能的主要属性。

E G是带隙能量。E G>1.4的半导体通常被称为宽带隙材料。E G更大的材料将需要更多的能量来将电子从其键位上断开，以穿越带隙。它具有更低的泄露电流和更高的温度稳定性。E BR是临界区域击穿电压，这个电压会直接影响

到电离和雪崩击穿电压电平。V S是饱和速率。峰值电子漂移速率决定了开关频率限值。µ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的关系为 [19]：

与一个Si器件相比，如图3的品质因数中所示，碳化硅的接通电阻减少了大约500倍，而对于一个指定尺寸的半导体来说，GaN的这些值甚至更高。

图3—硅、碳化硅和氮化镓理论接通电阻与阻断电压能力之间的关系 [16]。

过去三十年间，硅 (Si) 在功率应用中占主导地位。但是，随着其性能接近了理论限值，性能方面的提升也变得十分有限。作为2个新兴半导体材料，SiC和GaN看起来似乎是针对未来高性能应用的极有发展前途的候选材料。C．在FET模式和二极管模式中运行的GaN器件

D-mode和E-mode GaN FET的输出特性如图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，通常情况下是关闭的，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的栅极电荷和输出电容比E-mode GaN FET的少一半。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中所示的，具有共源共栅LV NMOSFET结构的D-mode GaN。LV NMOS是一种具有低R ds-on和快速反向恢复体二极管的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的漏极与源极之间时，内部MOSFET的V ds在FET关闭时开始上升，进而在GaN器件的栅极和源极上形成一个负电压，从而使GaN器件关闭。通常情况下，MOSFET的V ds将保持几伏特的电压，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的栅极与源极短接，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电压额定值和附加GaN电阻的集成MOSFET的工作方式十分相似。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的MOSFET的C oss。GaN器件本身没有体二极管，但是，当反向电流被施加到GaN共源共栅FET上时，MOSFET的体二极管首先导电，而这样实际上就把体二极管的V f施加到GaN器件的栅极上，随后GaN器件被接通。这样的话，低压FET的体二极管运行为共源共栅开关“体二极管”。由于LV MOSFET的正向压降和Qrr比高压MOSFET要低，所以这样做还是有其实际意义的。出色的体二极管运行方式是GaN共源共栅FET的其中一个主要特性和优势。由于对GaN共源共栅FET驱动的要求与对于传统MOSFET的要求是一样的，在应用采用方面，MOSFET的直接简易替换也是GaN共源共栅FET的另外一个优势。共源共栅方法的缺点在于，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开关的某些特点，其中包括大栅极电荷与反向恢复。这些特点限制了GaN器件的性能。