基于GaN FET的CCM图腾柱无桥PFC

　　图14显示的是安全GaN FET“体二极管”正向压降。当“体二极管”传导的电流为2.8A时，可以观察到大约6.6V的正向压降。当GaN被接通时，根据器件Rds_on的不同，这个电压减少到数十mV范围内。一个用DC电流进行的单独测试显示出的正向压降在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的SyncFET控制机制。

　　图14—GaN FET“体二极管”正向压降。

　　图15—GaN FET反向恢复测试。

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

　　ST生产的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。无法避免的电路和器件端子泄露是导致所观察到的振铃的主要原因。TI的试验GaN FET也表现出零反向恢复。由于较大的Coss，与SiC的结电容相比，观察到一个更大的振铃，但是频率较低。振铃是零反向恢复的一个附带的振铃特性。

　　图16显示的是由不适当状态变化和控制导致的AC电流尖峰和振铃。在图16上标出了导致每个尖峰和振铃的根本原因。图17显示的是使用本文中所提出的控制方法后洁净且平滑电流波形。

　　图16—230 VAC输入时的交叉波形，此时Q2硬开关接通，具有3.8V的VT_H，并且积分器在消隐时间内运行。

　　图17—230 VAC输入时的交叉波形，此时Q2软开关接通，具有7.6V的VT_H，并且积分器在消隐时间内暂停。

　　图18和图19显示的是450W低压线路和750W高压线路上的AC电流波形。可以在低压线路上实现0.999功率因数和3.3%的THD，以及0.995功率因数和4.0% THD。图20显示的是PFC效率曲线。峰值效率在230 VAC输入时达到98.53%，在115VAC输入时达到97.1%。可在轻负载区域内观察到由部分ZVS所导致的低压线路效率尖峰，此时，PFC运行在CCM和DCM边界附近。

　　图18—115V输入和450W负载时的AC电压和电流波形。

　　图19--230V输入和750W负载时的AC电压和电流波形。

　　图20—图腾柱PFC效率。

　　图21—750W图腾柱PFC原型机。

　　V.结论

　　GaN FET表现出出色的开关特性。用8mm x 8mm QFN GaN FET将PFC的功率推高到750W，并且用早期的试验GaN样片使高压线路输入时的效率达到98.53%，低压线路输入时的效率达到97.1%，这一切从正面反映出GaN FET的潜力。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的理想选择。这些器件在高很多的频率下运行，而又不受反向恢复损耗和明显栅极损耗的影响。它在效率和物理尺寸方面代表了开关转换器性能的全新发展水平。为了尽可能地降低“体二极管”传导损耗，一个高精度和可靠死区时间与IDE控制机制是必须的。一个好的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。

　　高精度AC电压交叉检测是在交叉区域内实现平滑AC电流的前提。本文分析了电流尖峰和振铃的根本原因，并给出了一个解决方案。提出的控制机制展示了一个实现平滑电流变换的可靠方法。

　　基于GaN的图腾柱CCM PFC可以在轻负载时，运行在电压开关为零 (ZVS) 的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和电压开关为零 (ZVS) 的TM。