云镓半导体发布 3kW 无桥图腾柱 GaN PFC 评估板

1.前言

本技术文档将重点介绍基于云镓半导体 650V GaN 器件的 3kW 无桥图腾柱 PFC (BTP-PFC) 评估板。对于服务器电源/通信电源/移动储能等产品设计有借鉴意义。

2. 云镓GaN 参数优势

传统 PFC 电路基于整流桥和 boost 拓扑构成，该电路在中小功率的 PD, 适配器及小功率的服务器电源中有着广泛的应用。

该电路损耗主要来自于整流桥、MOSFET、续流二极管、电感的铁损/铜损、滤波电容 ESR 等。其中整流桥及二极管的损耗对于高能效的应用场景具有天然的硬伤：1) 由二极管构成的整流桥存在着较高的导通压降（单个二极管正向压降 ~1V，每交流半周电流流经两个二极管），由此带来较高的导通损耗；2) 在 boost 电路中，因为 Si MOS 器件存在着巨大的 Qrr 损耗，无法作为同步整流管使用，故通常使用 SBD 作为续流元件（如 SiC SBD），相较于开关元件存在着较高导通压降，也会影响 boost 级的转化效率。

图 1 基于 boost 拓扑的 PFC 电路

无桥 totem-pole PFC 电路可大幅提升电能转化效率，如图 2 所示。由 Q1/Q2 构成半桥电路（高频桥臂），如需提升电路输出功率，可多相交错（Q3/Q4），D1/D2 构成低频桥臂（工频 50Hz），D1/D2 也可由低导通电阻的 MOSFET 构成以降低二极管压降带来的损耗。该拓扑相较于传统 boost PFC 有诸多好处：

a) 更高的转化效率：无整流桥，无续流二极管等高损耗元件；

b) 双向输出：图腾柱 PFC 具有双向输出工作能力，适合储能, OBC 等应用场景。

c) 同一桥臂的两个功率管（如 Q1/Q2）在正负半周切换过程中交换工作模式（开关管和续流管），元件寿命可以提升。

图 2 无桥图腾柱 PFC 电路

图 3 (left) Si MOSFET 硬开通波形示意图；(right) GaN HEMT 硬开通波形示意图

图 3 为 Si MOSFET 和 GaN HEMT 硬开通的电压/电流波形示意图。在 MOSFET 开通过程中，Qrr 损耗会在电流波形中有明显体现，而 GaN HEMT 无该损耗体现。下表为 Si CoolMOS 与云镓 GaN HEMT 参数对比，在相近内阻情况下，CoolMOS 的 Qoss 损耗是 GaN HEMT 的近 10 倍，Qrr 损耗更决定了 Si MOSFET 在 TP-PFC 电路中无法工作在硬开关下，只能采用 CrM/DCM 模式。相比之下，GaN Qoss 损耗更低，Qrr 损耗为 0，可工作在硬开关的 PFC 电路中。

Parameters	Si CoolMOS IPZA65R029CFD7	云镓GaN CG65030TAD
Voltage rating	650V	650V
Max Rdson	29mΩ	30mΩ
Qg	145nC	14.3nC
Qoss @ Vds = 400V	1056nC	133nC
Qrr	1600nC	0nC

基于 GaN HEMT 器件无反向恢复损耗的优点，GaN TP-PFC 可以采用 CCM 模式，相较于 CrM 控制模式，能有效将电感电流峰值降低一倍。

图 4 CrM (left) 和 CCM (right) 工作模式电感电流与 RMS 电流的关系

3. 无桥图腾柱 CCM 3kW PFC

云镓半导体基于无桥图腾柱 PFC 电路结构，使用 CG65030TAD GaN 功率器件(650V/30mΩ/TOLL封装)，搭建了一套 PFC 评估板，评估板基本信息如下表所示：

图 5 云镓 GaN 无桥 PFC 电路实物照片

图 6 云镓 GaN 无桥 PFC 电路效率曲线

图 6 为本评估板测得的 PFC 效率，输入 AC230V 条件下，峰值效率最高可以达到 98.7%（包含风扇和辅源损耗）。更多详细资料请联系云镓半导体。