1.前言

本技術文檔將重點介紹基于云鎵半導體 650V GaN 器件的 3kW 無橋圖騰柱 PFC (BTP-PFC) 評估板。對于服務器電源/通信電源/移動儲能等產品設計有借鑒意義。

2. 云鎵GaN 參數優勢

傳統 PFC 電路基于整流橋和 boost 拓撲構成，該電路在中小功率的 PD, 適配器及小功率的服務器電源中有著廣泛的應用。

該電路損耗主要來自于整流橋、MOSFET、續流二極管、電感的鐵損/銅損、濾波電容 ESR 等。其中整流橋及二極管的損耗對于高能效的應用場景具有天然的硬傷：1) 由二極管構成的整流橋存在著較高的導通壓降（單個二極管正向壓降 ~1V，每交流半周電流流經兩個二極管），由此帶來較高的導通損耗；2) 在 boost 電路中，因為 Si MOS 器件存在著巨大的 Qrr 損耗，無法作為同步整流管使用，故通常使用 SBD 作為續流元件（如 SiC SBD），相較于開關元件存在著較高導通壓降，也會影響 boost 級的轉化效率。

圖 1 基于 boost 拓撲的 PFC 電路

無橋 totem-pole PFC 電路可大幅提升電能轉化效率，如圖 2 所示。由 Q1/Q2 構成半橋電路（高頻橋臂），如需提升電路輸出功率，可多相交錯（Q3/Q4），D1/D2 構成低頻橋臂（工頻 50Hz），D1/D2 也可由低導通電阻的 MOSFET 構成以降低二極管壓降帶來的損耗。該拓撲相較于傳統 boost PFC 有諸多好處：

a) 更高的轉化效率：無整流橋，無續流二極管等高損耗元件；

b) 雙向輸出：圖騰柱 PFC 具有雙向輸出工作能力，適合儲能, OBC 等應用場景。

c) 同一橋臂的兩個功率管（如 Q1/Q2）在正負半周切換過程中交換工作模式（開關管和續流管），元件壽命可以提升。

圖 2 無橋圖騰柱 PFC 電路

圖 3 (left) Si MOSFET 硬開通波形示意圖；(right) GaN HEMT 硬開通波形示意圖

圖 3 為 Si MOSFET 和 GaN HEMT 硬開通的電壓/電流波形示意圖。在 MOSFET 開通過程中，Qrr 損耗會在電流波形中有明顯體現，而 GaN HEMT 無該損耗體現。下表為 Si CoolMOS 與云鎵 GaN HEMT 參數對比，在相近內阻情況下，CoolMOS 的 Qoss 損耗是 GaN HEMT 的近 10 倍，Qrr 損耗更決定了 Si MOSFET 在 TP-PFC 電路中無法工作在硬開關下，只能采用 CrM/DCM 模式。相比之下，GaN Qoss 損耗更低，Qrr 損耗為 0，可工作在硬開關的 PFC 電路中。

基于 GaN HEMT 器件無反向恢復損耗的優點，GaN TP-PFC 可以采用 CCM 模式，相較于 CrM 控制模式，能有效將電感電流峰值降低一倍。

圖 4 CrM (left) 和 CCM (right) 工作模式電感電流與 RMS 電流的關系

3. 無橋圖騰柱 CCM 3kW PFC

云鎵半導體基于無橋圖騰柱 PFC 電路結構，使用 CG65030TAD GaN 功率器件(650V/30mΩ/TOLL封裝)，搭建了一套 PFC 評估板，評估板基本信息如下表所示：

圖 5 云鎵 GaN 無橋 PFC 電路實物照片

圖 6 云鎵 GaN 無橋 PFC 電路效率曲線

圖 6 為本評估板測得的 PFC 效率，輸入 AC230V 條件下，峰值效率最高可以達到 98.7%（包含風扇和輔源損耗）。更多詳細資料請聯系云鎵半導體。