基于氮化镓的高频图腾柱PFC优化设计

众所周知，氮化镓功率器件为电力电子系统提高频率运行，实现高功率密度和高效率带来可能。然而，在高频下需要对EMI性能进行评估以满足EMC法规（例如EN55022 B类标准）要求。

为了达到此目标，本文提出了针对连续电流模式无桥图腾柱功率因数校正电路（PFC）的EMI滤波器设计流程。针对功率密度增加带来的效率影响，将导致功率密度和效率之间的权衡，本文将氮化镓基无桥图腾柱PFC与传统硅基PFC进行了数据对比，并提出了采用基于氮化镓器件的图腾柱PFC最佳范围来权衡功率密度和效率。

EMI建模和滤波器设计

如图1所示是单相无桥图腾柱PFC的基本原理图。为了满足EMI标准，在拓扑结构和交流电源之间需要添加EMI滤波器，以衰减高速开关过程产生的噪声。文献[1]已经对该拓扑进行了详细讨论。与传统的升压PFC相比，由于省略了桥式二极管导通损耗，图腾柱PFC系统的设计效率非常高。其中蓝色晶体管代表高速桥臂，一般采用宽禁带器件（例如GaN 功率器件）。

主要原因是氮化镓器件具有零反向恢复（Qrr = 0），使得在高频换流过程中高频桥臂的开关损耗大大降低，所以可以采用连续电流模式对图腾柱PFC进行设计，满足中大功率变换的需求。除了显着降低开关损耗外，氮化镓器件的零反向恢复还大大减少由高频换流di / dt引起的EMI噪声产生，特别是对于辐射噪声，可以参考文献[2]。本文下一部分将重点讨论高频连续电流模式图腾柱PFC传导噪声的EMI建模方法。

图1 单相无桥图腾柱PFC的基本原理图

如图2所示，EMI噪声是通过连接在交流电源和被测设备（DUT）之间的线路阻抗稳定网络（LISN）进行测量。EMI测试接收器连接到LISN的输出，以便与标准定义的限定值进行比较。该LISN实际上相当于一个高通滤波器功能，目的是将高频噪声电流捕获到RC（0.1µF +50Ω）测试路径中被测设备产生的EMI噪声可以由EMI测试接收器通过50Ω电阻测量。同时，LISN还阻止了所有来自交流电网的噪声，以确保接收器仅仅从被测设备测得噪声。图2给出了连续电流模式图腾柱PFC的差模EMI滤波器等效电路，其包括两级LC差模滤波器（LDM1 + CX1和LDM2 + CX2）。

图2 连续电流模式图腾柱PFC的EMI滤波器等效电路

差模噪声是由具有dv / dt和di / dt高频开关过程产生，同时需要考虑PFC电感上具有纹波电流影响。理论上，对于给定的功率和电感的纹波电流，第一个峰值噪声幅值（Vnoise_pk）就确定下来。根据傅立叶分析，此Vnoise_pk可以通过以下公式估算：

其中，输入电感电流i（t）是由纹波电流波形∆i（t）加上工频正弦电流总和得到：

∆i（t）是电感L的纹波电流，由公式（3）可以得到，它根据L的电感，开关周期Ts，占空比D和输入/输出电压Vin / Vout计算得出；Zc是电路阻抗，对于无桥图腾柱PFC电路，可以用等效电阻负载来表示。

图3 频率为65KHz和200KHz的模拟噪声对比

根据公式（1）至（3），图3给出了具有230V交流输入和400V 直流输出的1.5KW 连续电流模式图腾柱PFC的差模噪声频谱，其中开关频率分别设定为65KHz和200KHz。由此可见，模拟的差模噪声频谱具有以下特性：

• 噪声频谱是离散的，噪声频率是整数乘以开关频率；在两个不同的相邻频率之间不会有开关噪音。当开关频率为65KHz时，其低于150KHz EMI测试起始频率，因此第一个需要衰减噪音产生在三倍开关频率点即195KHz, 所需要衰减幅值约为28dBµV。当开关频率为200KHz时，其高于150KHz EMI测试起始频率，因此200KHz基频即为第一个需要衰减的噪音，所需要衰减幅值约为60dBµV。
• 噪声频谱幅度保持每格-40dBµV的斜率衰减。它也可以通过上述傅立叶推导得到证实，并且可以由文献[3]推论得到。

EMI滤波器的目的是通过设计并带有足够的设计余量来抑制超出EMI标准限制的噪声。因此输入差模滤波器提供的满足EMI标准所需的衰减量DeltaEMI公式可写为（4）：

这里：

• 公式（1）给出了Vnoise_pk计算，它表示不同频率下第一个峰值噪声幅度；
• Vlimit是EMI B类标准测试限定值；
• Margin是EMI滤波器的设计余量，这里选择6dBµV为设计余量；
• m = ceil（150KHz / fs），函数ceil表示舍入运算，例如，如果开关频率为65KHz，则m = 3；如果fs = 100KHz，m = 2；而对于fs> 150KHz，m = 0;
• “ -40log（m）” 表示噪声频谱从第一个开关频率到第n个开关频率保持幅度为每格-40dBµV衰减。

图4（a）EMI滤波器提供的所需衰减（DeltaEMI）（b）差模滤波器在20µH + 2.2µF数值时两级LC滤波器插入阻抗特性

基于上述的差模EMI噪声模型，可得到如图4（a）所示的1.5KW 连续电流模式图腾柱PFC电路的输入EMI滤波器在不同频率下所需衰减幅值。当开关频率在50KHz至75KHz的范围内时，最恶劣的150KHz以上噪声频率应为三倍开关频率。当开关频率为75KHz至150KHz时，最恶劣的噪声频率应为二倍开关频率。同时，在75KHz和150KHz频率处存在衰减幅值的跳变点，即在75KHz或150KHz附近略微改变开关频率会导致滤波器设计很大差异。

因此，当选择75KHz和150KHz附近的开关频率时，建议将开关频率设置为略低于跳变点频率。高于150KHz时，最恶劣的噪声频率是开关频率的基频，并且150KHz之后所需衰减噪声幅值不会发生明显跳变。在获得所需的衰减DeltaEMI之后，插入两级LC低通滤波器以抑制噪声。公式（5）给出了其插入阻抗（InsertionDM）。

在得到衰减幅值（DeltaEMI）和插入阻抗（InsertionDM）之间的关系式后，可以在不同的滤波器转折频率fc下设计EMI滤波器的值。当InsertionDM的绝对值等于或大于DeltaEMI（即│InsertionDM│≥│DeltaEMI│）时，其可以满足EMI标准要求并具有至少6dBµV的设计余量。

图5是根据上述推导建模得出的1.5KW 图腾柱PFC在65KHz和200KHz差模EMI滤波器设计。DeltaEMI（红线）是随频率变化所需的衰减，而蓝线是输入滤波器的频域插入阻抗（InsertionDM），用于衰减噪声。当DeltaEMI的绝对值等于InsertionDM的绝对值时，滤波器设计可以以6dBµV的余量通过EMI标准。它证明了在200KHz的高开关频率下，与65KHz的低开关频率相比，输入EMI滤波器值（LDM1，LDM2，Cx1和Cx2）在滤波器的转折频率fc较高，滤波器尺寸较小。

如上所示，尽管要求的65KHz的第一衰减幅度低于200KHz的幅度，但要求的滤波器的转折频率fc却不同，这意味着滤波器的转折频率越高，EMI滤波器的尺寸就越小。这种建模分析方法也可以应用于共模 EMI滤波器设计，并且可以获得与差模EMI设计相似的结论。因此高开关频率并不一定会增加传导EMI设计的难度。相反，可以有助于减小EMI滤波器的尺寸并提高功率密度。

图565KHz和200KHz频率下1.5KW 连续电流模式图腾柱PFC EMI滤波器设计

电感尺寸和最优频率

除了EMI滤波器之外，开关频率还影响PFC的电感对功率密度影响。理论上，开关频率越高，电感值和尺寸越小。然而，在小尺寸的情况下，电感的散热面积受到限制，因此应将电感的损耗和热设计考虑进去，在体积与热之间做权衡。图6是1.5KW 连续模式图腾柱PFC在 65KHz到300KHz下电感参数比较，电感的尺寸从100KHz到200KHz是得到显著减小，当开关频率高达300KHz，考虑到由于散热面积的限制而引起的电感温度上升，体积减小的幅度将大大降低。

图6不同频率下1.5KW连续电流模式图腾柱PFC电感的尺寸

如引言中所述，功率密度的增加（即体积的减小）会影响效率，这两个指标之间存在折衷。根据应用，对效率和功率密度的目标有不同的权衡。例如，对于数据中心服务器电源，由于节能钛金等80+标准要求，通常优先目标是首先选择目标效率，然后尽可能提高功率密度。然而，对于电动车车载充电机，通常功率密度和重量更为重要，并且优先目标将是实现小体积，然后尽可能地提高效率。

图7 1.5KW 连续电流模式PFC的最高效率和功率密度

图7显示了两种配置的1.5KW PFC最高效率和功率密度与开关频率的关系曲线。第一种是带硅MOSFET和碳化硅肖特基二极管的传统交错式升压PFC电路，简称为硅基PFC，另一种是采用氮化镓（ GS66508B）的无桥图腾柱PFC电路，简称为氮化镓基PFC。对于硅基PFC，效率性能受到硅MOSFET的品质因数（FOM）和桥式二极管的额外导通损耗的限制。因此，硅基PFC的开关频率通常会被限制在100KHz以下，并且较难实现更高功率密度。

氮化镓基PFC可以实现相对较高的功率密度。根据上面的EMI滤波器和电感器设计分析，我们可以计算出氮化镓基PFC随开关频率增对功率密度的提升。采用氮化镓基PFC可以在100KHz到200KHz下显著增加功率密度，而超过300KHz时，由于热性能的考虑功率密度增加受到限制，随着电感和晶体管损耗的增加，峰值效率会低于98％。关于效率比较，氮化镓器件具有极低开关损耗的优势，因此，随着开关频率的增加，氮化镓基PFC的最高效率曲线相对硅基PFC来说平坦得多。

简而言之，氮化镓器件帮助实现了更高的开关频率和更高的功率密度，同时保持相对较高的转换效率。对于这个特定的1.5KW设计示例，氮化镓基PFC的最佳频率范围是200KHz至250KHz，以达到权衡效率和功率密度的目的。

总结

本文介绍了一种用于高频无桥图腾柱PFC的简单EMI滤波器建模方法。综上所述，氮化镓功率器件具有更高工作开关频率下的高效率，提升了功率密度，进而得到更小体积的系统优势。文章提供了1.5KW氮化镓基无桥图腾柱PFC的最佳频率范围，以实现高功率密度和高效率的权衡。