近幾十年來(lái)，電力電子設(shè)備發(fā)展迅速，主要是由于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)速度越來(lái)越快，這使得設(shè)計(jì)更小的電力存儲(chǔ)組件（如電容器和電感）成為可能。結(jié)合更高的效率，這可以實(shí)現(xiàn)更小的電力電子元件，如電源單元和DC-DC轉(zhuǎn)換器。

在過(guò)去的幾十年里，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)得到了不斷的增強(qiáng)。最新的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，例如超級(jí)結(jié)MOSFET（SJ）、碳化硅MOSFET（SiC）和氮化鎵（GaN）晶體管，其開(kāi)關(guān)時(shí)間比傳統(tǒng)MOSFET短近10倍。這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗顯著降低，進(jìn)而允許更高的開(kāi)關(guān)頻率。由于這一點(diǎn)和效率的提高，可以實(shí)現(xiàn)更小的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)體積。

這些優(yōu)勢(shì)并不適用于用于開(kāi)關(guān)電源和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的所有開(kāi)關(guān)拓?fù)?。由于高效和低成?a target="_blank">控制器IC的可用性，近年來(lái)使用了各種諧振轉(zhuǎn)換器概念，其特點(diǎn)是在電源打開(kāi)或關(guān)閉的那一刻，開(kāi)關(guān)元件上的電流或電壓已經(jīng)為零，從而防止任何功率或能量損失（ZVS或ZCS： 零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)）。由于這些開(kāi)關(guān)概念通常涉及真正的諧振轉(zhuǎn)換器，原則上不會(huì)產(chǎn)生任何功率損耗，因此在使用開(kāi)關(guān)速度更快的元件時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗不會(huì)進(jìn)一步降低。例如，圖 1 顯示了典型 Traco Power 工業(yè)電源單元的一般電路圖，輸入端為 PFC 轉(zhuǎn)換器，輸出端為諧振轉(zhuǎn)換器。整個(gè)電能流過(guò)標(biāo)有L和C的元件，電容器和電感的值基本上根據(jù)諧振頻率確定轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率。

圖1.Traco 開(kāi)關(guān)電源的典型通用電路圖，輸入端有一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生正弦輸入電流，諧振轉(zhuǎn)換器用于電位分離和電壓調(diào)節(jié)

電源單元的輸入配有升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器（PFC轉(zhuǎn)換器），該轉(zhuǎn)換器在輸入端強(qiáng)制準(zhǔn)正弦電源輸入電流以校正功率因數(shù)。下游諧振轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)電壓電平，實(shí)現(xiàn)與電源電壓的電氣隔離，并調(diào)節(jié)電源電壓和負(fù)載的變化。然而，由于諧振或半諧振開(kāi)關(guān)PFC轉(zhuǎn)換器非常復(fù)雜，只能以高度復(fù)雜的方式實(shí)現(xiàn)，因此使用新近可用的非常快速開(kāi)關(guān)的晶體管作為有源高頻開(kāi)關(guān)為該升壓轉(zhuǎn)換器提供了可行的選擇。

為了通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗，使用這些快速開(kāi)關(guān)元件顯著提高開(kāi)關(guān)電源的效率，還必須降低二極管和整流器的導(dǎo)通損耗。在這方面，建議對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器采用所謂的“圖騰柱”拓?fù)?。這使得傳統(tǒng)使用的電源整流器具有相對(duì)較高的導(dǎo)電損耗從四個(gè)二極管減少到兩個(gè)二極管成為可能。相應(yīng)的詳細(xì)信息如圖 2 所示。該電路采用GaN晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試。優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)如下所述。

圖2.“圖騰柱電路”用于校正電源輸入電流的功率因數(shù)。

為什么使用氮化鎵？

超級(jí)結(jié)型MOSFET（SJ）開(kāi)關(guān)速度非?？?，易于更換，而且價(jià)格低廉且易于獲得。缺點(diǎn)是在較高開(kāi)關(guān)頻率下工作時(shí)控制功率相對(duì)較高，開(kāi)關(guān)損耗高，以及體二極管在反向操作中的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

碳化硅 MOSFET （SiC） 比 SJ MOSFET 更快，非常適合高阻塞電壓，并具有強(qiáng)大的雪崩行為和具有較短反向恢復(fù)時(shí)間的體二極管。然而，這些晶體管的控制要復(fù)雜一些，因?yàn)榭赡苄枰?fù)柵極預(yù)載。

氮化鎵（GaN）晶體管通常有兩種不同的設(shè)計(jì)：自導(dǎo)和自阻塞。根據(jù)類(lèi)型和制造商的不同，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)這些組件的柵極控制有不同的要求。然而，GaN晶體管的優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短了十倍，并且消除了體二極管。在某些情況下，這一優(yōu)勢(shì)可能證明有必要增加控制和管理這些組成部分的支出。為了能夠充分利用GaN晶體管的所有優(yōu)點(diǎn)，需要一個(gè)更復(fù)雜的柵極控制電路，該電路通常已經(jīng)集成到開(kāi)關(guān)斷路器的芯片中。缺點(diǎn)是不同制造商的組件不再兼容，并且不容易相互交換。

通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器和氮化鎵晶體管實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)

在圖3中，升壓轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為“圖騰柱電路”。輸出電壓始終高于輸入電壓。根據(jù)輸入電壓的極性，兩個(gè)晶體管交替用作有源開(kāi)關(guān)或扼流電流的有源續(xù)流二極管。這些晶體管交替控制占空比為“D”和“（1-D）”。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都使用非?？焖匍_(kāi)關(guān)的GaN晶體管時(shí)，該級(jí)可以在連續(xù)扼流圈電流下工作。這意味著當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，扼流圈電流不必為零，因?yàn)橹粫?huì)產(chǎn)生非常低的開(kāi)關(guān)損耗。因此，存儲(chǔ)扼流圈可以在明顯較低的高頻交流電下工作。由于在控制技術(shù)方面，通過(guò)扼流圈和整流二極管的電流得到適當(dāng)控制，以進(jìn)一步降低功率損耗，因此整流二極管也可以用導(dǎo)通電阻非常低的SJ MOSFET代替。這導(dǎo)致進(jìn)一步降低總功率損耗，從而也提高效率。

圖3.圖騰柱輸入轉(zhuǎn)換器，帶輸入和輸出濾波器，可防止無(wú)線電干擾

由于GaN晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為幾納秒，因此寄生電感和容量會(huì)產(chǎn)生極高頻振蕩，從而導(dǎo)致輸入和輸出端的嚴(yán)重干擾，并對(duì)測(cè)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，使用了圖3所示的濾波器。在GaN晶體管漏極和源極端子之間測(cè)量的開(kāi)關(guān)信號(hào)的測(cè)量值如圖4所示;相關(guān)的測(cè)量設(shè)計(jì)如圖5所示。使用此處使用的GaN晶體管時(shí)，很明顯，與漏極源極并聯(lián)的SiC二極管（D3和D4）對(duì)于防止死區(qū)時(shí)間內(nèi)的振蕩是必要的（GaN反向?qū)?，柵極“關(guān)閉”）。

圖 4 a

圖4 b

圖4.PFC轉(zhuǎn)換器中GaN晶體管的開(kāi)關(guān)行為，具有（a）和不具有（b）外部SiC并聯(lián)二極管，用于防止瞬態(tài)響應(yīng)

GaN晶體管漏源電壓的關(guān)斷行為測(cè)量如圖4所示，包括使用和不使用外部并聯(lián)二極管。開(kāi)關(guān)過(guò)程耗時(shí)不到 7 納秒，比標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 短約 10 倍。與傳統(tǒng)的MOSFET開(kāi)關(guān)相比，這也導(dǎo)致導(dǎo)通和關(guān)斷損耗降低了相同的系數(shù)。

圖5.測(cè)量設(shè)計(jì)。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 ［PDF］

上圖所示電路設(shè)計(jì)輸出功率為1000 W;兩個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管是80mOhm GaN晶體管?？刂坪驼{(diào)節(jié)是離散和模擬設(shè)置的，因此可以影響和設(shè)置所有操作參數(shù)。關(guān)斷后的振蕩（如圖4b所示）會(huì)產(chǎn)生難以濾除的高頻干擾，需要大量的濾波工作;因此，必須避免它們。

使用GaN晶體管降低電感

損耗和電感大小對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器（PFC轉(zhuǎn)換器）的效率有重大影響。電感的存儲(chǔ)能量與接通和關(guān)斷期間的電流幅度呈二次關(guān)系;同時(shí)，歐姆損耗與電流呈二次增加。另一方面，電感中的磁滯損耗取決于磁芯的體積、電流的交流分量，從而取決于磁流密度和開(kāi)關(guān)頻率變化的行程。評(píng)估的測(cè)試設(shè)計(jì)使用的平均開(kāi)關(guān)頻率為100kHz。110VAC和230VAC輸入電壓的扼流圈電流測(cè)量值如圖6所示。由于紋波電流水平取決于輸入電壓和升壓電壓之間的差異，因此較低的輸入電壓（圖6a）比具有較高電壓的操作（圖6b）導(dǎo)致更高的紋波電流。在低輸入電壓下，電感中磁性材料的熱損失要大得多，因此必須考慮到這種不利的工作情況。

由于磁芯損耗隨著電感中電流的紋波因數(shù)降低而降低，因此，盡管比磁滯損耗相對(duì)較高，但采用GaN晶體管的PFC轉(zhuǎn)換器提供了使用磁性材料作為具有非常高磁飽和磁通密度的電感的選項(xiàng)。這使得在幾百kHz的低開(kāi)關(guān)損耗下使用更高的開(kāi)關(guān)頻率成為可能。這樣可以進(jìn)一步減小電感的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖 6 扼流圈中的電流 （L2） @ 110V

圖 6 b 扼流圈中的電流 （L2）@ 230V

圖6.測(cè)量升壓轉(zhuǎn)換器（PFC轉(zhuǎn)換器）電感中的電流，a）電源輸入電壓為110VAC和b）電源輸入電壓為230VAC

干擾增加

GaN晶體管中的短開(kāi)關(guān)過(guò)程導(dǎo)致產(chǎn)生方波電流和電壓，由于極高的激活和失活邊緣，會(huì)產(chǎn)生高頻干擾電壓和電流。這些是不希望的，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾，以防止電磁干擾通過(guò)連接線或輻射從開(kāi)關(guān)電源傳輸?shù)街車(chē)h(huán)境。共模干擾最難濾除;相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7.PFC 轉(zhuǎn)換器在滿載 1000 W 和電源電壓為 230 VAC 時(shí)的共模干擾電流（綠色）和共模干擾電壓（紅色

詳細(xì)視圖顯示，100Hz的共模電壓會(huì)非?？焖俚胤崔D(zhuǎn)其極性;高頻比例是由升壓二極管的能量恢復(fù)引起的。在此過(guò)程中，電流無(wú)法找到通過(guò)二極管D1 D2的路徑，因此通過(guò)Y電容作為共模電流流回電網(wǎng)。使用有源升壓二極管的智能控制，并用MOSFET代替無(wú)源整流二極管D1 D2，可以顯著降低該電流。

提高效率，減小結(jié)構(gòu)尺寸

PFC轉(zhuǎn)換器的效率通常由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗以及電感的歐姆和磁化損耗組成。測(cè)量總損失并計(jì)算個(gè)人損失的比例;它們?nèi)鐖D 8 所示。

圖8.在 230 VAC 的電源電壓下，將相對(duì)于電源輸入電壓的總損耗分配給各個(gè)組件。

由于在較低的輸入電壓下電流較高，電感磁性材料中的損耗較高，因此效率在很大程度上取決于電源輸入電壓。圖 9 總結(jié)了這種關(guān)系。

圖9. 與帶有SJ MOSFET（橙色）的“邊界模式交錯(cuò)”P(pán)FC相比，帶有GaN晶體管（藍(lán)色）的圖騰柱PFC轉(zhuǎn)換器相對(duì)于電源輸入電壓的整體效率。

在PFC轉(zhuǎn)換器中使用具有合適電路設(shè)計(jì)的GaN晶體管可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)99%的極高效率。然而，經(jīng)濟(jì)上可行的GaN晶體管在低主電壓下的導(dǎo)通電阻仍然過(guò)高，必須使用激活的MOSFET作為主二極管。這使得效率比采用帶橋式整流器的傳統(tǒng)MOSFET的PFC轉(zhuǎn)換器高3%至5%。在開(kāi)關(guān)電源中結(jié)合使用PFC轉(zhuǎn)換器和諧振轉(zhuǎn)換器可使整體效率超過(guò)96%。

在開(kāi)關(guān)電源中使用GaN晶體管為開(kāi)關(guān)頻率、效率和結(jié)構(gòu)尺寸開(kāi)辟了新的可能性。然而，為了經(jīng)濟(jì)地使用輸出高達(dá)1000 W的開(kāi)關(guān)電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器，一個(gè)先決條件是進(jìn)一步降低這些組件的價(jià)格。
審核編輯：陳陳