2015电源设计研讨会: 基于氮化镓的图腾柱无桥 PFC (CCM) (2)

PFC 工作的时候 负载会由低到高 或者由高到低 那么相应的时候 这个时候 boost 工作模式 会由 DCM 到 CCM 之间来回转换 对应的，这个时候 要让同步管工作在理想二极管模式 那么需要检测 ZCD 信号 来控制开关管的开通和关断 无桥 PFC 的控制采用的是 TI 的数字电源控制器 UCD3138 UCD3138 的结构是 ARM7 的内核 加上高速的数字环路 从图上我们可以看到 3138采样输入的 AC 电流 AC 的 L 线和 N 线电压 来控制工频 MOS 管的导通和关断 采样输出电压和 ZCD 信号 来控制 GaN boost PFC 的 MOS 管的开通和关断时序 来实现工作在理想二极管模式 工作的环路分为电流内环和电压外环 这两部分都是通过数字的方式来实现 ZCD 信号的检测是通过 3138内部集成的高速比较器 来控制 Q3 和 Q4 的关断时序 图上显示的是针对 GaN MOS 管的一个测试 那么测试条件是在输入电压200V DC 输入电流2A，输出电压400V 就是整流管用的是 SiC 这个条件下我们可以看到 turn on 导通的时间大概是九个ns 导通速度非常快 电压的爬升率大概是79V/ns 从图上我们可以看出 GaN MOS 管的开关特性非常的好 GaN MOS 管的二极管模式 从测试波形里面我们可以看到 在有意加大死区时间之后 在电流0.1A到3A的时候 我们可以看到 在不工作在理想二极管模式下 那么 GaN MOS 管会有一个比较明显的压降 这个压降大概是4.7 4.3V到7.3V左右 针对 GaN MOS 管的反向恢复特性 我们做了一个对比测试 那么 Q3 选用了GaN MOS Cree 的 SiC 二极管 和比较常用的 STTH8R06D 作为输出 整流二极管 在 di/dt 大概是368A/us的条件下 我们可以看到相应的测试结果 那么普通的 Si 二极管 会有比较明显的反向恢复特性 那 GaN MOS 管和 SiC 的反向恢复特性 基本上是一致的 可以说基本上没有反向恢复 中间的振荡或者说 ring 主要是由于结电容带来的 无桥 PFC 的控制和实际应用当中 过零点的检测是一个非常麻烦的问题 那么这个设计里面 我们采用同时检测 L 线和 N 线的电压 针对低压和高压设置不同的阈值或者门限制 同时控制 Q1 工频 MOS 管的开通和关断 和 PFC 的主开关管和同步管的开关时序 增加适当的 turn-on delay 或者是导通开通延时 那么可以获得非常好的效果 减小过零点的畸变 和对应的电流尖峰 降低相应的 THD 从图上的实际测试波形 我们可以看到在左边 没有过零点采取处理之前 那么我们可以看到比较高的电流尖峰 比较高的 spike 这个时候相应的 THD 会比较差 那么在右边我们针对性的 采取一些开关的时序控制 包括一些过零点的检测处理 那么这个时候我们可以看到 过零点变得非常的光滑 整个的波形会比较漂亮 对应的 THD 会减小非常多 图上是无桥 PFC 实测的电压和电流波形 我们可以看到 在低压、高压的时候 THD 都非常的小 整个波形非常光滑，非常漂亮 这个是无桥 PFC 的效率曲线 对应输入低压115V和高压230V 那么我们可以看到 在整个范围内效率都非常的好 尤其是在轻载的时候 进入到 ZVS 的模式下 那么这个时候的效率 会比正常的 CCM 的 PFC 效率要高很多 效率最高点可以达到98.5% 完全满足钛金级 AC/DC 效率的要求 这是我们无桥 PFC 的样机图片 我们可以看到 GaN MOS 管就在右上 靠近输出 buck 电容的散热器下面 那么整机的功率最大是750W 是在AC 230V输入的时候 在低压输入的时候 最大功率只能到450W 这个是因为受 GaN 的 MOS 管散热 和现在能够处理的电流能力限制 那么我们做一个简单的小结 GaN MOS 管由于它非常好的开关特性 那么适用于高频的应用场合 由于它零反向恢复特性 那么非常适合用在 PFC 的这个拓扑里面 同时作为开关管和输出整流管 那么对于 GaN MOS 管 用在无桥 PFC 这个场合 我们需要配合相应的数字控制 让 GaN MOS 管工作在 理想二极管的工作模式 包括在轻载的时候 工作在临界导通模式 提高整机的效率 同时呢，我们针对过零点的检测 也提供了一个思路 或者说一个解决的 solution 或者说一个解决的 solution 可以有效地改善过零点畸变的问题 随着无桥 PFC 的控制技术的发展 和 GaN MOS 管的工艺提升 那么在未来，无桥 PFC 的效率 会得到进一步的提升 相应的轻载的效率 随着 ZVS 控制方式的优化 那么轻载的效率曲线 会得到进一步的改善