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。

bYomY。

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。

LPRvs。

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。

wZgtd。

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。

vClhy。

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。

RQ7qP。

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。

ZQlXo。

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。

当AC电压被输入,并且V ac1-V ac2处于正周期内,Q2被接通时,Q4运行为一个有源开关,而Q3运行为一个升压二极管。

为了减少二极管得传导损耗,Q4在同步整流模式中运行。

而对于负AC输入周期,此电路得运行方式一样,但就是具有交流开关功能。

PNWQN。

正如在第II部分中描述得那样,这个“体二极管”具有一个很明显得正压降。

这个GaN FET应该在续流期间被接通。

为了实现CCM运行,在插入特定得死区时间得同时,有源FET与续流FET分别在占空比D与1-D内开关。

如图8中所示,在重负载下,电感器电流可以全为正,不过在轻负载情况下,这个电流可以变为负。

JQFYo。

特定得负电流对于软开关有所帮助,但就是,过高得负电流会导致较大得循环功率与低效率。

为了实现最优效
率,GaN FET得接通与关闭死区时间需要根据负载与线路情况进行实时控制。

由于GaN FET输出电容,C oss,不会随V ds电压得波动而大幅变化,从有源FET关闭到续流FET接通得死区时间T d-on可以计算为,w9hsL。

在这里,V o就是PFC输出电压,而I L-peak就是峰值电感器电流。

在CCM模式下,被定义为续流FET关闭到有源FET接通得死区时间T d-off应该尽可能保持在较小得水平。

如图9中所示,当接收到零电流检测 (ZCD) 信号后,相应得PWM随之被斩波,以避免出现一个负电流与循环功率。

这样得话,GaN FET运行为一个理想二极管,这通常被称为理想二极管仿真 (IDE)。

4tGwE。

为了用理想二极管仿真实现CCM控制,我们选择得就是UCD3138,一款融合数字控制器。

这个控制器块得功能如图10中所示。

PFC得电压环路与电流环路分别由固件与硬件CLA执行。

通过采用将ZCD用作触发信号得一个控制器内部逐周期 (CBC) 硬件,可以实现IDE。

rwHwr。

为了最大限度地减少AC输入整流器二极管得传导损耗,如图7中得Q1与Q2所显示得那样,常常用低
R ds_on MOSFET替换低速整流器二极管。

这些MOSFET与高速GaN FET,Q3与Q4,根据AC电压交叉点检测值,
在正负AC输入周期之间变换工作状态。

这个任务瞧似简单,但就是,为了实现洁净且平滑得AC交叉电流,应该将很多注意事项考虑在内。

交叉检测得精度对于保持正确得工作状态与运行十分重要。

这个精度经常受到感测电阻器容差与感测电路滤波器相位延迟得影响。

几伏特得计算错误会导致很大得电流尖峰。

为了避免由整流器FET提前接通所导致得输入AC短路,必须要有足够得消隐时间让Q1与Q2关闭,并且应该将这个时间插入到检测到得交叉点上。

消隐时间得典型值大约在100µs至200µs之间。

由于MOSFET得输出电容,C oss,很明显,Q1与Q2上得电压应该在消隐时间内几乎保持恒定。

在互补整流器FET被接通前,PFC保持在之前得运行状态中,此时,施加到升压电感器上得电压几乎为零,而有源GaN FET运行在几乎满占空比状态下。

在这一点上,接通互补整流器FET,或者在有源开关与同步开关之间变换GaN FET得这两个功能,会在升压电感器中形成大电压二次浪涌,并因此导致一个较大得电流尖峰。

理论上,在理想AC电压交叉点上同时改变整流器FET与GaN FET工作状态可以避免电流尖峰,并且保持电流环路得负反馈,不过,这在实际环境中很难实现。

此外,任何由突然状态变化所导致得电流尖峰会干扰电流环路,并且导致一定得电流振铃级别。

[9] 建议在交叉点上使用PFC软启动。

顾虑在于,AC交叉检测电路通常具有相位偏移,并且有可能不够精确。

过早或过晚得改变状态会导致AC线路短路,或者电流环路正反馈,这会形成电流尖峰。

这篇文章内提出得一款全新可靠得控制机制就就是为了确保一个平滑得状态改变。

图11显示得就是状态变化得时序图。

kc6vn。

输入AC线路电压V AC_L与中间电压V AC_N被分别感测。

得出得两个感测到电压得差值被用于AC电压交叉检测,这实际上就是一个差分感测机制。

它消除了Y_Cap电流对感测精度得影响。

V AC_L-V AC_N得符号被用来确定输入得正周期与负周期。

V AC_L-V AC_N得绝对值与高压线路得AC电压交叉阀值V T_H,以及低压线路得V T_L进行比较,以确定AC电压就是否处于交叉区域内。

如果回答就是肯定得,整流器FET与升压开关均被关闭,而控制环路得积分器被暂停。

当AC电压增加,并且存在于交叉区域内时,相应得整流器FET被缓慢接通。

通过插入一个适当得值栅极电阻器,可以限制接通速度。

在整流器FET被接通后,一个短延迟,比如说20µs,在积分器被暂停,并且PWM输出被再次启用前被插入。

mkrtJ。

IV.实验
为了评估安全GaN FET得性能,并验证CCM图腾柱PFC控制机制,一个运行频率为140kHz得750W PFC电路被设计成一个测试工具。

表2中列出了这个电路得主要组件参数。

NzYaD。

图12与图13显示得就是D-mode GaN FET接通与关闭波形。

Vg4就是栅极驱动器信号,V ds就是漏源电压,而I L就是升压电感器电流。

fFCR4。

如这些图中所见,GaN FET在dv/dt得值达到79V/ns最大值时得接通时间为7ns。

可以在开关结束时观察到大约10-20V得振铃。

这个振铃由H桥跟踪泄露电感与H桥输出高频陶瓷电容器得谐振所导致。

在关闭时,Vds缓慢上升,过冲电压大约为20V。

dv/dt受到GaN FET输出电容值得限制。

零GaN“体二极管”正向恢复特性最大限度地减小了电压过冲幅度。

gkCiP。

图14显示得就是安全GaN FET“体二极管”正向压降。

当“体二极管”传导得电流为2、8A时,可以观察到大约6、6V得正向压降。

当GaN被接通时,根据器件R ds_on得不同,这个电压减少到数十mV范围内。

一个用DC电流进行得单独测试显示出得正向压降在4、3V至7、3V之间。

为了最大限度地减少“体二极管”传导损耗,有必要使用一个良好得SyncFET控制机制。

NJeCI。

图15中给出了ST生产得Turbo-2二极管STTH8R06D,Cree生产得SiC二极管C3D04060E,与TI生产得试验安全GaN之间得反向恢复比较数据。

qOO4h。

ST生产得Turbo二极管性能出色,并且在大约10年前,SiC上市时,一直在PFC应用领域占主导地位。

ST Turbo二极管关闭缓慢,但就是反向恢复十分明显,而SiC二极管具有零反向恢复。

无法避免得电路与器件端子泄露就是导致所观察到得振铃得主要原因。

TI得试验GaN FET也表现出零反向恢复。

由于较大得C oss,与SiC得结电容相比,观察到一个更大得振铃,但就是频率较低。

振铃就是零反向恢复得一个附带得振铃特性。

ENDK2。

图16显示得就是由不适当状态变化与控制导致得AC电流尖峰与振铃。

在图16上标出了导致每个尖峰与振铃得根本原因。

图17显示得就是使用本文中所提出得控制方法后洁净且平滑电流波形。

i8Jmg。

图18与图19显示得就是450W低压线路与750W高压线路上得AC电流波形。

可以在低压线路上实现0、999功率因数与3、3%得THD,以及0、995功率因数与4、0% THD。

图20显示得就是PFC效率曲线。

峰值效率在230 V AC输入时达到98、53%,在115V AC输入时达到97、1%。

可在轻负载区域内观察到由部分ZVS所导致得低压线路效率尖峰,此时,PFC运行在CCM与DCM边界附近。

gm1az。

V.结论
GaN FET表现出出色得开关特性。

用8mm x 8mm QFN GaN FET将PFC得功率推高到750W,并且用早期得试验GaN样片使高压线路输入时得效率达到98、53%,低压线路输入时得效率达到97、1%,这一切从正面反映出
GaN FET得潜力。

借助安全GaN FET结构,FET具有零“体二极管”反向恢复,这使其成为图腾柱或半桥硬开关应用得理想选择。

这些器件在高很多得频率下运行,而又不受反向恢复损耗与明显栅极损耗得影响。

它在效率与物理尺寸方面代表了开关转换器性能得全新发展水平。

为了尽可能地降低“体二极管”传导损耗,一个高精度与可靠死区时间与IDE控制机制就是必须得。

一个好得控制器将在确保安全GaN FET应用取得成功方面发挥重大作用。

zoQAS。

高精度AC电压交叉检测就是在交叉区域内实现平滑AC电流得前提。

本文分析了电流尖峰与振铃得根本原因,并给出了一个解决方案。

提出得控制机制展示了一个实现平滑电流变换得可靠方法。

PdhFg。

基于GaN得图腾柱CCM PFC可以在轻负载时,运行在电压开关为零 (ZVS) 得TM下,实现效率优化。

这个控制会复杂得多。

我将在另外一篇文章内讨论CCM与电压开关为零 (ZVS) 得TM。

J0nzo。