基于GaN器件的圖騰柱無橋Boost PFC電路的研究

黃立 張浩然

摘 要 氮化鎵技術鑒于其優良的開關特性和持續提升的品質，近年來在電力轉換應用方面慢慢得到了重視。本文根據電流連續傳導模式的圖騰柱無橋PFC拓撲的特點，將氮化鎵器件應用于電路中以提高功率因素。利用Simulink軟件對電路進行了仿真和分析，結果表明平均電流控制的無橋PFC達到了提高功率因素的目的。

【關鍵詞】氮化鎵 PFC Simulink

電力電子設備在電力系統和日常生活中的廣泛使用，帶來了便捷的同時也伴隨著諧波污染問題。諧波污染不僅會導致輸入的電流波形和電壓波形不一致，而且能夠產生嚴重的畸變。由于電壓與電流波形的頻率和相位不一致，會嚴重影響電網電能的質量，導致輸入功率因數降低。同時，諧波還會對電氣裝置造成干擾，導致儀器儀表和系統裝置產生誤計量或誤操作。為了提高電網供電質量，抑制諧波污染，功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）已經成為電力電子行業中的熱點。

提高功率因數校正變換器的效率與功率密度是有效途徑之一，基于硅（Si）器件的Boost PFC變換器已經被廣泛研究。由于Si器件性能已經被發掘接近極限，基于其的變換器特性也很難再提高。近年來，新寬禁帶半導體氮化鎵（GaN）的出現，由于其優越的材料屬性，使GaN開關器件具有開關速度快、導通電阻低等優點。GaN器件的逐漸普及為變換器性能提高到一個新的等級提供了可能。

1 圖騰柱無橋Boost PFC電路

如圖1所示，分析電路結構可以發現，在輸入電壓的每半個周期內，都只有兩個半導體器件處于工作狀態，所以該拓撲具有開關損耗小和效率高的優點。并且在電路的工作過程中，輸入端通過二極管D1或D2與輸出端相連，所以輸出不受開關頻率的影響，共模干擾較小。此外，該拓撲主回路結構簡單、器件利用率高。但圖騰柱無橋升壓PFC電路的兩只開關管即S3和S4中的體二極管，與傳統升壓PFC中快速恢復二極管起著類似的作用，因此該電路一般用在斷續導通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）和臨界導通模式（Critical Conduction Mode，CRM）下。如果電路工作于電流連續導通模式（Continuous Conduction Mode，CCM），基于目前常用的有源開關器件的體二極管反向恢復時間，大大超過獨立快速恢復二極管的恢復時間，會導致其產生相當嚴重的反向恢復損耗，效率提高的可能性也極為有限。

2 基于GaN無橋Boost PFC電路

2.1 GaN器件的特性

如圖2所示，介紹了一個全新的安全GaN場效應晶體管結構。這個安全GaN場效應晶體管集成了一個常開型GaN器件、一個低壓MOS場效應晶體管、一個啟動電路和一個用于GaN器件的柵極驅動器。MOS場效應晶體管具有與GaN共源共柵場效應晶體管結構相同的功能，能保證在施加Vcc偏置電壓前關閉常開型GaN器件。在施加Vcc并且建立柵極驅動器一個穩定的負偏置電壓后，啟動邏輯電路將MOS場效應晶體管打開，并在隨后保持導通狀態。由于GaN器件沒有少數載流子，所以沒有反向恢復的問題，與相應的MOS場效應晶體管相比，GaN的柵極電容小于10倍，輸出電容降低了數倍。安全的GaN場效應晶體管充分體現了GaN的優點，其優良的開關特性保證了新型開關變換器的性能。還應該注意是，因為安全GaN場效應晶體管內的體二極管實際上并不存在，當一個反向電流流經GaN場效應晶體管，會在漏極和源極上產生一個負向電壓，此時GaN器件的工作方式就無異于普通二極管。源漏電壓Vds在達到特定的閥值時，GaN場效應晶體管開始反向傳導，而這個閥值就是體二極管的正向壓降。正向壓降能夠很高，甚至達到數伏特，運行在二極管模式下的傳導損耗，這時非常有必要通過接通GaN場效應晶體管來減少。

2.2 基于GaN的圖騰柱無橋Boost PFC電路

圖3中所示的是一個常見的圖騰柱無橋Boost PFC電源電路。Q3和Q4是安全GaN場效應晶體管；Q1和Q2是AC整流器場效應晶體管，它們是AC線路頻率上的開關，而D1和D2是浪涌路徑二極管。當AC電壓被輸入，并且VAC1—VAC2處于正周期內，Q2被接通時，Q4工作為一個有源開關，而Q3工作為一個升壓二極管。為了減少二極管的傳導損耗，Q4在同步整流模式中運行。而對于負AC輸入周期，此電路的運行方式一樣，具有交流開關功能。

2.3 仿真研究

按照圖3的原理，基于GaN器件的PFC拓撲結構，采用CCM電流連續導通模式的平均電流控制思想，設計了一個輸入AC220 V輸出DC400 V的圖騰柱無橋Boost PFC仿真電路，在MATLAB軟件的Simulink中搭建出了電路的仿真模型。仿真結果表明，這種拓撲可以實現提高功率因數，升壓二極管可以自然關斷，且開關管可以實現零電流導通。

在APFC主電路的Boost變換器中，包括的模型主要有電感、電容、GaN場效應晶體管、二極管和電阻等。控制電路主要是基于STM32的內部模型，特別是對乘法器、比較器、PI控制器、電流誤差放大器和電壓誤差放大器的模擬仿真。最后，經過STM32的輸出PWM信號控制和驅動功率GaN場效應晶體管，通過調節輸出信號的占空比來實現功率因數校正的目的。

選定合理的仿真參數和元器件值，特別是電壓誤差放大器和電流誤差放大器的傳遞函數以及模型參數，通過持續地參數優化，并且在模擬EMI電磁干擾的情況下，獲得了基于GaN場效應晶體管功率因數校正電路的輸入電壓和電流波形、輸出電壓波形與功率因數波形。

圖4中的輸入電壓和輸入電流波形，清楚地表明了通過有源功率因素校正電路，并且在電路系統達到穩定狀態之后，輸入電流的波形已經被轉換為與電壓同頻率同相位的正弦波。圖5所示的功率因數在GaN場效應晶體管的優秀性能條件下，達到了0.99以上。從圖6中能夠看出，加入有源功率因素校正電路之后，在輸出端獲得了紋波很小的400V直流電壓。從一系列的仿真中可以看到，得到了比較滿意的仿真結果，驗證了GaN 場效應晶體管的確可以提高連續導通模式下的圖騰柱無橋Boost PFC電路的APFC電路的功率因素。

3 結論

介紹了電流連續導通模式下的圖騰柱無橋Boost PFC電路特點，分析了GaN場效應晶體管具有低寄生電容和零反向恢復的出色特性，可以使其實現更高的開關頻率和效率。設置合適的仿真參數和元器件值，完成了基于GaN器件的釆用平均電流控制的APFC電路設計工作。對基于乘法器的電壓環和電流環的雙閉環補償網絡參數進行了修正，使優化結果達到了設計要求。利用MATLAB軟件平臺搭建仿真模型，通過不斷地優化仿真參數，獲得了很好的仿真結果，說明了基于GaN器件的圖騰柱無橋PFC電路具有提升功率因素的卓越品質。

（通訊作者：黃立）

參考文獻

[1]劉桂花，劉永光，王衛.無橋PFC技術的研究[J].電子器件，2007，30（05）：1918-1921.

[2]王路.高壓大功率GaN器件開關過程振蕩問題分析及應用設計研究[D].北京：北京交通大學電氣工程學院，2017.

[3]陳喜亮.圖騰柱無橋PFC變流器研究[D].杭州：浙江大學電氣工程學院，2014.

[4]高裴石.基于氮化鎵器件的Boost PFC分析與設計[D].合肥：合肥工業大學，2017.

[5]Zhengyang Liu；Fred C.Lee；Qiang Li； Yuchen Yang.Design of GaN-Based MHz Totem-Pole PFC Rectifier[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2016，4（03）：799-807.

作者簡介

黃立（1993-），男，碩士研究生在讀。主要研究方向為傳感器與信號檢測。

張浩然（1972-），男，博士，教授。主要研究方向為智能信息處理與現代電子技術。

作者單位

浙江師范大學數理與信息工程學院 浙江省金華市 321004