基于GaN器件的无桥PFC电路研究

李祥生

摘要：本文对比分析了GaN器件，CoolMOS和SiC二极管的开关损耗，并将图腾PFC和市场主流的H桥PFC进行对比研究。通过两台实验样机研究了GaN器件直接替换CoolMOS后的效率改善，也对比了两种拓扑都使用GaN器件的效率差异，对现有GaN器件的整体性能进行了评估。最后，都使用工频整流对两种PFC拓扑的效率提升空间进行了探索。

关键词：GaN，图腾，H桥，PFC，反向恢复，开关损耗，效率

1引言

目前市场上的通信整流器大都采用了两级结构，前级均为无桥PFC，后级为LLC+同步整流。从近期发展来看，双电容或双二极管箝位的dualboost无桥PFC因其结构复杂成本较高已逐步被各大厂家所放弃，电路结构相对简单的双向开关H桥PFC成为主流拓扑，见图2。其实，在所有无桥PFC拓扑中，图腾无桥PFC的电路是最简单的（见图3），而且无需再外加电容或者二极管就能得到与普通BoostPFC相似的EMC性能0。但是受器件的限制，使得图腾无桥PFC长期以来只能被用作DCM或者BCM模式以避免MOSFET体二极管的反向恢复00，制约了它在中大功率场合的应用。

具有良好反向恢复特性的第三代半导体GaN器件的出现，使得图腾无桥PFC可以工作于CCM模式，给其在大功率场合的应用创造了条件，也被电源开发者重视起来。

2GaN器件与常用器件的开关损耗和通态损耗对比

鉴于双向开关H桥PFC已经成为产品中所采用的主流无桥拓扑，本文研制了两台1kW样机，将它和图腾无桥PFC的效率进行比较，两者所采相同的PFC电感，开关频率相同，两者之间的效率差别就在于半导体器件的开关损耗和导通损耗。

H桥PFC和图腾PFC所用器件见下表，其中H桥PFC拓扑中的S1/S2分别用了CoolMOS和GaN器件，目的是为了确认效率最优的器件和拓扑组合。由文献0的测试结果可知，采用GaN器件和SiC二极管的H桥PFC开关损耗在整个负载范围内都最小，因为这个拓扑能够同时发挥出GaN器件开关损耗小和SiC二极管反向恢复特性好的优势。由于所用GaN器件的反向恢复电荷是SiC二极管的2.2~2.8倍0，所以图腾PFC在轻载时的开关损耗要高于使用CoolMOS的H桥PFC，随着负载的增加GaN器件开关速度快开关损耗小的优势才能体现出来，重载时使用CoolMOS的H桥PFC开关损耗最大。

所用GaN器件和CoolMOS的常温通态电阻分别为150mΩ和180mΩ，从产品手册看前者的温度特性也优于后者，而SiC二极管的最低导通压降为1.6V，所以，GaN器件无论是作为主开管还是作为续流二极管使用的，其通态损耗在整个负载范围内都比CoolMOS和SiC低。为了进一步提高PFC的效率，两台样机分别将工频二极管D1/D2换为IPW65R019C7（通态电阻19mΩ），进行对比实验。

3样机实验结果

样机的效率测试所用仪器为PM6000功率分析仪和FLUKE8845A万用表，在输入电压为220VAC，PFC母线电压400V条件下测试，开关频率均为100kHz。

在不采用工频同步整流的情况下，GaN在H桥PFC中直接替换CoolMOS可使效率提高0.15%，这主要是得益于GaN开关损耗的降低。使用GaN的H桥PFC比totemPFC效率高0.1%，原因是GaN器件在图腾PFC中反向恢复电荷Qrr高于SiC二极管，虽然GaN器件可以减小导通损耗，但是仍无法弥补图腾无桥PFC的开关损耗的增加。采用工频同步整流以后，图腾PFC峰值效率可提高0.25%，使用GaN的H-PFC的峰值效率仅能提高0.15%（电感储能状态同步整流管对效率没有贡献），两者的峰值效率相当，图腾PFC满载效率还略占优势。

4结论

就GaN器件现有的性能而言，应用在图腾PFC中受其反向恢复性能的影响，开关损耗并不能降低到理想的水平，反而在H桥PFC中才最能发挥其开关损耗低的优势。相对于SiC二极管，GaN器件的反向恢复特性仍需优化，才能使图腾PFC拓扑占据明显优势，相对于最新的CoolMOS，GaN器件的导通电阻也有较大的优化空间。

参考文献：

[1]贲洪奇，张继红，刘桂花，孟涛.开关电源中的有源功率因数校正技术。机械工业出版社，2010

[2]苏斌.单相高效率AC/DC变换器的研究.浙江大学，博士论文，2011.

[3]李祥生，黄立巍，郭莎莎，许峰.600VGaNHEMT开关特性和封装研究，电力电子技术，2012，12：77-80