2015电源设计研讨会: 基于氮化镓的图腾柱无桥 PFC (CCM) (1)

大家好 我是 TI 电源参考设计团队的 应用工程师 Jason Yu 这个 topic 给大家介绍一下基于 GaN 的 CCM 图腾柱无桥 PFC 相关的参考设计和应用 随着 computer 和 storage 的快速发展 那么 AC/DC 效率的要求越来越高 这个 topic，我们首先简单介绍一下 AC/DC 整机电源的效率要求 比如钛金级 无桥 PFC 的拓扑和发展趋势 GaN 的一些具体特性 那么重点是基于 GaN 的无桥 PFC 相关的应用设计和测试结果 随着 computer storage 的快速发展 那么对于 AC/DC 的效率要求越来越高 我们可以看到，从80 Plus 一直到白金级，钛金级 那么整机，包括不同负载点的 效率要求会越来越高 在50%的负载点 那么钛金级的效率要求是94和96 相应的我们从表格里面可以看到 那么在钛金级和白金级的效率要求下 留给 PFC 的效率要求的裕量都非常的少 对 PFC 的效率要求越来越高 满足钛金级的效率要求 那么至少要保证 我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5% 我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5% 就目前来说 小功率的 PFC 使用临界导通模式和 interleave 可以达到效率97.5的样子 可以达到效率97.5的样子 但是呢，对于大功率的 PFC 无桥 PFC 看起来是 对于钛金级要求的唯一的一个途径 图上显示的是基本的 无桥 PFC 拓扑结构图 那么第一个图是比较早期的无桥 PFC 看起来结构比较复杂 效率会相对比较好一些 控制也比较简单 但是呢，元件数目会比较多 相应的功率密度会比较低 下面的图上显示的是无桥 PFC 使用普通 MOS 管构成的拓扑 相应的效率指标会比较好 也比较容易控制 但是呢，通常这种结构的 PFC 是工作在 DCM 适用于功率小于300W的场合 图腾柱无桥 PFC 有两个趋势 第一个是临界模式的图腾柱 PFC 那么这种模式的 PFC 适用于功率比较小 通常是小于300W 使用多相 interleave 的方式 适用于普通的 MOS 管 工作在 ZVS 模式下 配合相位管理 那么也可以获得比较好的轻载效率 另外一个模式呢是 连续模式的图腾柱 PFC 元器件数量相对比较少 定频的控制 比如 GaN MOS 管作为 PFC 的主开关管和同步管 在轻载的时候可以工作在临界模式 实现 ZVS，获得比较高的效率 那么这里我们可以看到 GaN，Si 和 SiC 三种材料对应的一些特性对比 从带隙能量，场击穿电压，电子饱和迁移率 这些指标来看 GaN 都有非常好的特性 那么 GaN 更多详细的指标和特性 大家可以参考 EPC 具体的技术文档 从外特性来看 我们可以看到图上显示的 横轴是 Ron 乘以 Qg 纵轴是 Ron 乘以 Coss 那么从坐标图上我们可以看到 GaN 的 MOS 管特性会比 Si MOS 管特性 要好得非常多 从理论上来说 GaN MOS 管会有非常好的开关特性 和导通电阻 Rds_on 图上显示的是级联的高压 GaN MOS 管的结构图 那么从图上可以看到 它的原理结构 通常 GaN MOS 管用在 PFC 可以同时工作在主开关管 和输出整流二极管的位置上 那么这种结构的 GaN MOS 管 它的成本相应会比较低一些 驱动和以前的 MOS 管是一样的 在二极管模式下 它的正向导通压降相对会比较小 但是也有相应的一些缺点 它的反向恢复和普通的 MOS 管是一样的 驱动级的 Qg 相应会比较大 和普通 MOS 是一样的 那么另外一种是 Dmode-GaN 的结构 从图上我们可以看到 这种结构的 GaN MOS 管 会具有零的反向恢复特性 驱动的 Qg 会非常小 适用于高频的应用场合 但是呢它同时需要集成 GaN 的 driver 因为没有体二极管的效应存在 实际上在工作在二级管模式下 它的导通压降相对会比较高一些 它的导通压降相对会比较高一些 同时它也需要专门的驱动电路来驱动 GaN 图上显示的是无桥 PFC 的功率结构图 我们可以看到 Q1 Q2 是对应于工频的 MOS 管 那么 Q3 Q4 是 GaN MOS Q3 和 Q4 可以作为开关管 或者是输出整流管 在正半周 那么我们可以看到 电流的回路 电流通过 EMI filter 流过电感，再流过 Q4 那么经过 Q2 回到 AC 的另外一端 这个时候 Q4 作为主开关管 Q3 作为输出整流管 在 Q4 关断之后 那么 Q3 导通 这个时候电感的能量通过 Q3 输出到输出电容 Dmode 的 GaN MOS 是没有体二极管的 但是呢在体二极管开关的时候 它会有一个类似二极管的过渡过程 那么通常这个时候看起来的 VF 还会比较高 针对这一个特性，我们需要准确的控制 PFC 主开关管和输出整流管之间的死区 使 GaN MOS 工作在一个 类似理想二极管的工作状态 从而获得比较高的效率 降低损耗 GaN MOS 管的一个非常重要的特性就是 GaN 的 Coss 随着 GaN 上的 Vds 变化非常小 基本上可以认为是一条直线 那么 PFC 主开关管和同步管之间的死区 我们可以通过相应的公式来进行计算 根据输出电压、电感电流的峰值 那么控制这个死区在一个合适的值 就可以让输出的整流管 比如输出的同步管 工作在理想二极管模式