如何設計高效能、2.5 kW、通用輸入電壓範圍、功率因數校正（PFC）400 V 整流器，使用200 V eGaN® FETs
技術分享雜談GaN技術 – Alex Lidow, Ph.D.
十一月 03, 2020
致謝 - 此應用說明和相關硬體是與德克薩斯大學奧斯汀分校的半導體電力電子中心 (SPEC) 合作開發的。
動機
雲端運算、可穿戴設備、機器學習、自主駕駛和物聯網等應用的擴展推動我們進入一個更加數據密集的世界，增加了對數據中心和電力消耗的需求[1, 2]。交流到直流開關電源的效率、功率密度和成本的重要性正在推動創新解決方案，而eGaN FET可以解決這些問題，從而產生超高效率的功率因數校正（PFC）前端整流器解決方案，這正是本應用說明的重點。
4級飛行電容多級（FCML）無橋PFC轉換器
傳統的2級無橋PFC拓撲結構因使用650 V額定的GaN FET而成為實現高效率的流行選擇，但未解決主電感的功率密度和損耗限制問題[3]-[5]。4級飛行電容多級（FCML）無橋PFC拓撲是一種替代方案，可以利用200 V eGaN FET，這些FET可以在274 VACRMS的最大電網電壓下運行，並利用電感的伏秒減少和頻率倍增來顯著提高功率密度，並產生高效率的解決方案。FCML無橋PFC整流器的電力原理圖如圖1所示。4級FCML無橋PFC拓撲結構的一個額外優點是，由於所需電感較低，最小化了輸入電流諧波失真，並且即使在最高峰值線電壓下也能保持開關。
圖1. 4級飛行電容多級eGaN FET無橋PFC整流器原理圖
適用於4級FCML無橋PFC轉換器的200 V額定EPC2215
使用多級拓撲結構的眾多好處之一是可以使用較低電壓的器件。在這個4級拓撲結構中，六個串聯連接的高頻器件（Q1至Q6）用於高頻腿，如圖1所示。輸出直流電壓設定為400 V，因此每個高頻器件的電壓應力僅為133 V，加上裕度，確保200 V的器件非常適合這種拓撲結構。200 V額定的EPC2215 eGaN FET，具有8 mΩ的RDS(on)，如圖2所示，提供了低開關損耗、低驅動功耗和零反向恢復，相較於傳統的硅器件，實現了高效解決方案。
圖2. 200 V額定、8 mΩ的EPC2215的凸起側照片
圖3顯示了EPC2215與尺寸相近的MOSFET等效器件的比較，後者大了15倍，並將消耗6.5倍的門極功率。此外，更高的輸出電容也會增加MOSFET相較於GaN FET的開關損耗。
圖3. EPC2215與最接近的MOSFET對應器件的尺寸比較，兩者均額定為200 V
實驗驗證
一個2.5 kW的4級飛行電容多級（FCML）GaN FET無橋PFC轉換器已經構建完成，見圖4 [7]。實驗單元包括多個卡片；1）帶EMI濾波器、輔助電源和大容量輸出電容的主板，2）控制卡和3）GaN FET飛行電容多級轉換器卡。
圖4. （a）完整的PFC整流器和（b）FCML無橋PFC轉換器卡的照片
圖5顯示了在轉換器以240 VACRMS輸入電壓運行並向400 VDC負載提供2.5 kW時，測量的輸入交流電壓、良好控制的電感電流和多級開關節點波形。
圖5. 當向400 VDC負載提供2400 W時，測量的電感電流（IL）、交流輸入電壓（VAC）和開關節點電壓（VSW）的波形
如圖6所示，4級FCML無橋GaN FET PFC的整體功率效率最高可達2.5 kW，在1.4 kW時達到峰值效率99.25%，並在900 W以上保持在99%以上。
圖6. 4級FCML無橋GaN FET PFC轉換器的功率效率
結論
本文介紹了一種適用於數據中心應用的高效率、高功率密度、2.5 kW能力的eGaN FET基4級飛行電容多級無橋整流器。高頻腿中使用了200 V額定、8 mΩ的EPC2215，這使轉換器在900 W到2.5 kW之間的效率超過99%，在1.4 kW時達到峰值99.25%。完整的轉換器解決方案具有125 W/in3的功率密度，並包括EMI濾波器、大容量輸出電容、控制卡和輔助電源。eGaN FET的優越特性[6]使得該轉換器實現了高功率密度、超高效率和低諧波失真。
參考文獻
[1] A. Marashi, “Power Hungry: The Growing Energy Demands of Data Centers,” VXchange, June 28th, 2019, [在線提供, 訪問時間：2019年10月24日] https://www.vxchnges.com/blog/power-hungry-the-growing-energy-demands-of-data-centers
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[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.