如何使用200V eGaN®场效应管（FET）设计高效的2.5 kW、通用输入电压范围、功率因数校正（PFC）400 V整流器
技术分享GaN技术杂谈 – Alex Lidow, Ph.D.
11月 03, 2020
致谢 - 这份应用说明和相关硬件是在德克萨斯大学奥斯汀分校的半导体电力电子中心（SPEC）的合作下开发的。
动机
云计算、可穿戴设备、机器学习、自动驾驶和物联网等应用的扩展推动我们走向一个更加数据密集的世界，增加了对数据中心和电力消耗的需求[1, 2]。交流到直流开关电源的效率、功率密度和成本的重要性推动了创新解决方案的发展，eGaN FETs 可以解决这些问题，从而产生超高效率的功率因数校正（PFC）前端整流器解决方案，这也是本应用说明的重点。
四级飞行电容多级（FCML）图腾柱无桥 PFC 转换器
传统的两级图腾柱无桥 PFC 拓扑结构已成为使用 650 V 额定 GaN FET 实现高效率的热门选择，但并未解决主电感器的功率密度和损耗限制问题[3]-[5]。四级飞行电容多级（FCML）图腾柱无桥 PFC 拓扑结构是一种替代方案，可以利用 200 V eGaN FETs，在最大电网线路电压 274 VACRMS下运行，并利用电感器的伏秒减少和频率乘法显著提高功率密度，提供高效率的解决方案。图 1 显示了 FCML 图腾柱无桥 PFC 整流器的电力原理图。四级 FCML 图腾柱无桥 PFC 整流器拓扑的一个附加优势是，由于所需电感低，它将输入电流谐波失真最小化，并且即使在最高峰值线电压下也能保持开关。
图 1. 四级飞行电容多级 eGaN FET 图腾柱 PFC 整流器原理图
用于四级 FCML 图腾柱 PFC 转换器的 200 V 额定 EPC2215
使用多级拓扑结构的众多优势之一是可以使用较低电压的器件。在这种四级拓扑结构中，高频腿中使用了六个级联连接的高频器件（Q1 至 Q6），如图 1 所示。输出直流电压设置为 400 V，因此每个高频器件的电压应力仅为 133 V，加上裕度，确保 200 V 器件非常适合此拓扑结构。200 V 额定 EPC2215 eGaN FET，RDS(on) 为 8 mΩ，如图 2 所示，与传统的硅器件相比，提供了低开关损耗、低驱动功耗和零反向恢复，从而实现高效率解决方案。
图 2. 200 V 额定、8 mΩ EPC2215 的凸点侧照片
图 3 显示了 EPC2215 与相近的 MOSFET 等效器件的尺寸比较，后者大 15 倍，门极功耗高 6.5 倍。此外，与 GaN FET 相比，更高的输出电容还将增加 MOSFET 的开关损耗。
图 3. 200 V 额定的 EPC2215 和最接近的 MOSFET 对应器件的尺寸比较
实验验证
一个 2.5 kW 的四级飞行电容多级（FCML）GaN FET 图腾柱 PFC 转换器已建成，如图 4 所示[7]。实验装置包含多个卡；1）带 EMI 滤波器、辅助电源和大容量输出电容的主板，2）控制卡和，3）GaN FET 飞行电容多级转换器卡。
图 4. (a) 完整的 PFC 整流器和 (b) FCML 无桥图腾柱转换器卡的照片
图 5 显示了转换器在 240 VACRMS 输入电压下运行并向 400 VDC 负载提供 2.5 kW 时测量的输入交流电压、控制良好的电感电流和多级开关节点波形。
图 5. 向 400 VDC 负载提供 2400 W 时测量的电感电流 (IL)、交流输入电压 (VAC) 和开关节点电压 (VSW) 波形
图 6 显示了 4 级 FCML 图腾柱 GaN FET PFC 在高达 2.5 kW 时的整体功率效率，峰值效率为 1.4 kW 时的 99.25%，且从 900 W 起保持在 99%以上。
图 6. 4 级 FCML 图腾柱 GaN FET PFC 转换器的功率效率
结论
本文介绍了一种适用于数据中心应用的高效率、高功率密度、2.5 kW 能力的基于 eGaN FET 的 4 级飞行电容多级无桥图腾柱整流器。高频腿使用了 200 V 额定、8 mΩ 的 EPC2215，使转换器在 900 W 至 2.5 kW 之间的效率超过 99%，峰值效率在 1.4 kW 时达到 99.25%。完整的转换器解决方案包括 EMI 滤波器、大容量输出电容、控制卡和辅助电源，其功率密度为 125 W/in3。eGaN FET 的有利特性[6]使该转换器能够实现高功率密度、超高效率和低谐波失真。
参考文献
[1] A. Marashi, “Power Hungry: The Growing Energy Demands of Data Centers,” VXchange, June 28th, 2019, [On-line available, accessed Oct. 24, 2019] https://www.vxchnges.com/blog/power-hungry-the-growing-energy-demands-of-data-centers
[2] F. C. Lee, Q. Li, Z. Liu, Y. Yang, C. Fei and M. Mu, “Application of GaN devices for 1 kW server power supply with integrated magnetics,” in CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 1, no. 1, pp. 3-12, Dec. 2016.
[3] Z. Liu, F. C. Lee, Q. Li and Y. Yang, “Design of GaN-Based MHz Totempole PFC Rectifier,” in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, no. 3, pp. 799-807, Sept. 2016.
[4] L. Zhou, Y. Wu, J. Honea and Z. Wang, “High-efficiency True Bridgeless Totem Pole PFC based on GaN HEMT: Design Challenges and Costeffective Solution,” Proceedings of PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2015, pp. 1-8.
[5] Z. Liu, Z. Huang, F. C. Lee and Q. Li, “Digital-Based Interleaving Control for GaN-Based MHz CRM Totem-pole PFC,” in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, no. 3, pp. 808-814, Sept. 2016.
[6] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, “GaN Transistors for Efficient Power Conversion,” 3rd Edition, J. Wiley 2020, ISBN 978- 1-119-59414-7。
[7] Q. Huang, Q. Ma, P. Liu, A.Q. Huang, and M. Rooij, “3kW Four-Level Flying Capacitor Totem-Pole Bridgeless PFC Rectifier with 200V GaN Devices,” in ECCE 2019。