基于氮化镓的图腾柱无桥 PFC(CCM)（下）

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

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