基于GaN FET的CCM圖騰柱無(wú)橋PFC

　　圖14顯示的是安全GaN FET“體二極管”正向壓降。當(dāng)“體二極管”傳導(dǎo)的電流為2.8A時(shí)，可以觀察到大約6.6V的正向壓降。當(dāng)GaN被接通時(shí)，根據(jù)器件Rds_on的不同，這個(gè)電壓減少到數(shù)十mV范圍內(nèi)。一個(gè)用DC電流進(jìn)行的單獨(dú)測(cè)試顯示出的正向壓降在4.3V至7.3V之間。為了最大限度地減少“體二極管”傳導(dǎo)損耗，有必要使用一個(gè)良好的SyncFET控制機(jī)制。

　　圖14—GaN FET“體二極管”正向壓降。

　　圖15—GaN FET反向恢復(fù)測(cè)試。

　　圖15中給出了ST生產(chǎn)的Turbo-2二極管STTH8R06D，Cree生產(chǎn)的SiC二極管C3D04060E，與TI生產(chǎn)的試驗(yàn)安全GaN之間的反向恢復(fù)比較數(shù)據(jù)。

　　ST生產(chǎn)的Turbo二極管性能出色，并且在大約10年前，SiC上市時(shí)，一直在PFC應(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。ST Turbo二極管關(guān)閉緩慢，但是反向恢復(fù)十分明顯，而SiC二極管具有零反向恢復(fù)。無(wú)法避免的電路和器件端子泄露是導(dǎo)致所觀察到的振鈴的主要原因。TI的試驗(yàn)GaN FET也表現(xiàn)出零反向恢復(fù)。由于較大的Coss，與SiC的結(jié)電容相比，觀察到一個(gè)更大的振鈴，但是頻率較低。振鈴是零反向恢復(fù)的一個(gè)附帶的振鈴特性。

　　圖16顯示的是由不適當(dāng)狀態(tài)變化和控制導(dǎo)致的AC電流尖峰和振鈴。在圖16上標(biāo)出了導(dǎo)致每個(gè)尖峰和振鈴的根本原因。圖17顯示的是使用本文中所提出的控制方法后潔凈且平滑電流波形。

　　圖16—230 VAC輸入時(shí)的交叉波形，此時(shí)Q2硬開(kāi)關(guān)接通，具有3.8V的VT_H，并且積分器在消隱時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。

　　圖17—230 VAC輸入時(shí)的交叉波形，此時(shí)Q2軟開(kāi)關(guān)接通，具有7.6V的VT_H，并且積分器在消隱時(shí)間內(nèi)暫停。

　　圖18和圖19顯示的是450W低壓線路和750W高壓線路上的AC電流波形?？梢栽诘蛪壕€路上實(shí)現(xiàn)0.999功率因數(shù)和3.3%的THD，以及0.995功率因數(shù)和4.0% THD。圖20顯示的是PFC效率曲線。峰值效率在230 VAC輸入時(shí)達(dá)到98.53%，在115VAC輸入時(shí)達(dá)到97.1%?？稍谳p負(fù)載區(qū)域內(nèi)觀察到由部分ZVS所導(dǎo)致的低壓線路效率尖峰，此時(shí)，PFC運(yùn)行在CCM和DCM邊界附近。

　　圖18—115V輸入和450W負(fù)載時(shí)的AC電壓和電流波形。

　　圖19--230V輸入和750W負(fù)載時(shí)的AC電壓和電流波形。

　　圖20—圖騰柱PFC效率。

　　圖21—750W圖騰柱PFC原型機(jī)。

　　V.結(jié)論

　　GaN FET表現(xiàn)出出色的開(kāi)關(guān)特性。用8mm x 8mm QFN GaN FET將PFC的功率推高到750W，并且用早期的試驗(yàn)GaN樣片使高壓線路輸入時(shí)的效率達(dá)到98.53%，低壓線路輸入時(shí)的效率達(dá)到97.1%，這一切從正面反映出GaN FET的潛力。借助安全GaN FET結(jié)構(gòu)，F(xiàn)ET具有零“體二極管”反向恢復(fù)，這使其成為圖騰柱或半橋硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的理想選擇。這些器件在高很多的頻率下運(yùn)行，而又不受反向恢復(fù)損耗和明顯柵極損耗的影響。它在效率和物理尺寸方面代表了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器性能的全新發(fā)展水平。為了盡可能地降低“體二極管”傳導(dǎo)損耗，一個(gè)高精度和可靠死區(qū)時(shí)間與IDE控制機(jī)制是必須的。一個(gè)好的控制器將在確保安全GaN FET應(yīng)用取得成功方面發(fā)揮重大作用。

　　高精度AC電壓交叉檢測(cè)是在交叉區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑AC電流的前提。本文分析了電流尖峰和振鈴的根本原因，并給出了一個(gè)解決方案。提出的控制機(jī)制展示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)平滑電流變換的可靠方法。

　　基于GaN的圖騰柱CCM PFC可以在輕負(fù)載時(shí)，運(yùn)行在電壓開(kāi)關(guān)為零 (ZVS) 的TM下，實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。這個(gè)控制會(huì)復(fù)雜得多。我將在另外一篇文章內(nèi)討論CCM和電壓開(kāi)關(guān)為零 (ZVS) 的TM。