GaN FET 在 AC/DC 功率因數(shù)校正 （PFC） 整流器中發(fā)揮著重要作用。后者具有非常簡單的拓撲結(jié)構(gòu)；在所有元件中，只有電感是磁性的，通常是恒頻連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）電感。因此，可以直接展示 GaN FET 對 PFC 整流器性能的影響。

650V GaN FET 較低的寄生電容降低了開關(guān)損耗。此外，與 650-V Si MOSFET 相比，650-V GaN FET 在相同芯片尺寸內(nèi)具有更低的導(dǎo)通電阻 （R on ），并且 GaN FET 消除了反向恢復(fù)損耗。使用 GaN FET 將開關(guān)電源的峰值效率提高到 99%。1-4盡管 GaN 成本仍然是行業(yè)廣泛采用的障礙，但 GaN FET 可實現(xiàn)的性能（包括效率和密度改進）最終會對開關(guān)電源解決方案的總成本產(chǎn)生積極影響。本文詳細研究了基于 GaN 的 PFC 整流器，回顧了 GaN 無橋 PFC 拓撲、控制和性能。

GaN PFC 拓撲

傳統(tǒng)升壓 PFC 僅使用一個有源開關(guān)，通常是 650V 超結(jié) Si MOSFET。當今大多數(shù)傳統(tǒng)開關(guān)電源使用升壓 PFC，利用其簡單性、低成本和可靠性。雖然用 650-V GaN FET 替換 650-V Si MOSFET 可以降低開關(guān)損耗，但這種效率提升并不顯著——通常只有 0.1% 到 0.15% 左右。然而，用另一個 650V GaN FET 替換快速恢復(fù)二極管將顯著降低損耗，因為FET上的低 R 消除了二極管傳導(dǎo)損耗，而 GaN FET 消除了反向恢復(fù)損耗。這種變化可以提供大約 0.25% 的效率改進。

二極管橋引起的巨大傳導(dǎo)損耗是開關(guān)損耗的另一個主要來源。用Si MOSFET上的低 R 替換二極管橋可以將效率提高約 0.4%。二極管電橋也可以用包括二極管電橋和 Si MOSFET 的混合器件結(jié)構(gòu)代替。5混合器件可以以低成本降低從輕負載到重負載的傳導(dǎo)損耗。

圖 1：GaN 無橋 PFC 整流器拓撲包括 （a） 升壓無橋 PFC、（b） 雙升壓無橋 PFC 和 （c） 圖騰柱 PFC。（圖片：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）

雙升壓無橋 PFC 是另一種用于開關(guān)電源的流行拓撲。同樣，Si MOSFET 可以用 650-V GaN FET 代替，效率提高大約 0.1% 到 0.15%，而更換快速恢復(fù)二極管可以再提高大約 0.25% 的效率。最后，在Si MOSFET 或混合 MOSFET上用低 R 替代低頻二極管可以將效率再提高大約 0.25%。然而，雙升壓 PFC 具有兩個交替升壓階段，器件和電感器的利用率低。

GaN 圖騰柱 PFC 拓撲只有兩個 GaN FET、兩個 Si MOSFET（或混合開關(guān)）和一個電感器。這種拓撲使用比無橋升壓 PFC 和雙升壓 PFC 更少的拓撲，并實現(xiàn)了對器件和電感器的更好利用。與雙升壓 PFC 相比，圖騰柱 PFC 的效率和密度也可能更高一些，并且成本更低。

GaN PFC 控制

GaN PFC 控制可基于以下調(diào)制策略進行總結(jié)：連續(xù)傳導(dǎo)模式 （CCM）、臨界傳導(dǎo)模式 （CRM） 和準方波模式 （QSW）。對于CCM，開關(guān)頻率是恒定的，高開關(guān)損耗導(dǎo)致開關(guān)頻率相對較低；在這種情況下，通常用于升壓 PFC 的傳統(tǒng)平均電流控制可用于 GaN PFC。對于 CRM，可以利用傳統(tǒng)的峰值電流控制和恒定導(dǎo)通時間控制，它們也用于升壓 PFC。傳統(tǒng)的 CRM 控制還集成了非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 控制，可以限制峰值開關(guān)頻率。

GaN PFC 經(jīng)常討論 QSW 模式操作和控制，因為消除開通損耗會導(dǎo)致更高的開關(guān)頻率，這可以減小轉(zhuǎn)換器的尺寸。為了實現(xiàn) QSW 操作，已經(jīng)討論了基于過零檢測 （ZCD） 的控制策略。3、4、6主要概念是控制器在接收到 ZCD 信號后，會延長同步整流器 （SR） 開關(guān)導(dǎo)通時間，以實現(xiàn)有源開關(guān)的零電壓開關(guān) （ZVS）。數(shù)字控制器根據(jù)平均輸入和輸出電壓和電流信息計算延長的導(dǎo)通時間。然而，這種方法非常具有挑戰(zhàn)性，因為需要快速準確的電流檢測或 ZCD，特別是當開關(guān)頻率擴展到幾個 MHz 時。當系統(tǒng)中需要多相交錯時，這種控制方法甚至具有挑戰(zhàn)性。

另一種控制方法是基于變頻脈寬調(diào)制（PWM）。7該方法將傳統(tǒng)平均電流控制的核心部分用于 CCM 升壓 PFC。這里的創(chuàng)新之處在于可以根據(jù)感測到的輸入和輸出電壓和電流信息來改變?nèi)禽d波信號的頻率。改變?nèi)禽d波頻率會改變開關(guān)頻率。平均電流控制環(huán)路確定占空比。這種控制方法的關(guān)鍵概念是對于 QSW 操作，占空比和 PWM 載波頻率是兩個獨立的自由度。這種方法消除了高速電流檢測或 ZCD 步驟。由于 PWM 載波始終同步，因此可以通過變頻 PWM 輕松實現(xiàn)多相交錯。

表 I： GaN PFC 整流器的性能比較（來源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）

GaN PFC 性能

GaN PFC 整流器已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界取得了成功。表一總結(jié)了各機構(gòu)和公司取得的業(yè)績。一般而言，可以實現(xiàn) 99% 的峰值效率——開關(guān)電源 PFC 的新高。這種效率性能將開關(guān)電源 PFC 的效率提升到一個新的水平。一些解決方案可以實現(xiàn)高達 99.2.% 的峰值效率。通常，較低的頻率會犧牲較高的效率，從而導(dǎo)致較低的密度。

CCM GaN PFC 的另一個效率性能優(yōu)勢是該拓撲的重載效率并沒有大幅低于其峰值效率，因為在降低 RMS 電流值，尤其是高頻 AC RMS 方面，CCM 優(yōu)于 QSW。QSW GaN PFC 整流器通常具有更高的功率密度，因為它們的開關(guān)頻率要高得多，但 QSW 從峰值到重負載值的效率下降比 CCM 更陡峭。

多級 GaN PFC 是一種極具吸引力的解決方案，可用于提高效率和密度。12，13多電平操作降低了電感上的電壓秒并增加了等效操作頻率，從而顯著減小了電感尺寸。其他無源元件的尺寸也將減小。CCM 操作和低電流紋波也導(dǎo)致較低的傳導(dǎo)損耗，特別是對于高頻交流電流傳導(dǎo)。較低的開關(guān)電壓也是降低開關(guān)損耗的一個因素。

結(jié)論

電力電子設(shè)計人員可以通過使用 650V GaN FET 實現(xiàn)低開關(guān)損耗和零反向恢復(fù)損耗。在圖 1 中討論的拓撲中， GaN 圖騰柱 PFC 整流器的開關(guān)數(shù)量最少，開關(guān)之間表現(xiàn)出對稱操作，并能夠最佳利用器件和電感器。GaN 圖騰柱 PFC 可以通過 CCM 或 QSW 操作實現(xiàn) 99% 的峰值效率。QSW 操作消除了導(dǎo)通損耗，它是總開關(guān)損耗的主要部分；因此，與 CCM 操作相比，QSW 導(dǎo)致更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度。使用變頻 PWM 可以解決 QSW 操作的變頻 ZVS 控制挑戰(zhàn)，它用變頻載波代替?zhèn)鹘y(tǒng) PWM 的恒頻載波。這種 PWM 方法消除了高速電流感應(yīng)或 ZCD 并解決了變頻多相交錯控制問題。

審核編輯：郭婷