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基于CCM的单相Boost,基于氮化镓的图腾柱无桥 PFC(CCM)(上)-工业应用在线培训

互联网 2021-09-24 10:33:47 Tags:基于CCM的单相Boost

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大家好

我是 TI 电源参考设计团队的

应用工程师 Jason Yu

这个 topic

给大家介绍一下基于 GaN 的

CCM 图腾柱无桥 PFC

相关的参考设计和应用

随着 computer 和 storage 的快速发展

那么 AC/DC 效率的要求越来越高

这个 topic,我们首先简单介绍一下

AC/DC 整机电源的效率要求

比如钛金级

无桥 PFC 的拓扑和发展趋势

GaN 的一些具体特性

那么重点是基于 GaN 的无桥 PFC

相关的应用设计和测试结果

随着 computer storage 的快速发展

那么对于 AC/DC 的效率要求越来越高

我们可以看到,从80 Plus

一直到白金级,钛金级

那么整机,包括不同负载点的

效率要求会越来越高

在50%的负载点

那么钛金级的效率要求是94和96

相应的我们从表格里面可以看到

那么在钛金级和白金级的效率要求下

留给 PFC 的效率要求的裕量都非常的少

对 PFC 的效率要求越来越高

满足钛金级的效率要求

那么至少要保证

我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5%

我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5%

就目前来说

小功率的 PFC

使用临界导通模式和 interleave

可以达到效率97.5的样子

可以达到效率97.5的样子

但是呢,对于大功率的 PFC

无桥 PFC 看起来是

对于钛金级要求的唯一的一个途径

图上显示的是基本的

无桥 PFC 拓扑结构图

那么第一个图是比较早期的无桥 PFC

看起来结构比较复杂

效率会相对比较好一些

控制也比较简单

但是呢,元件数目会比较多

相应的功率密度会比较低

下面的图上显示的是无桥 PFC

使用普通 MOS 管构成的拓扑

相应的效率指标会比较好

也比较容易控制

但是呢,通常这种结构的 PFC

是工作在 DCM

适用于功率小于300W的场合

图腾柱无桥 PFC 有两个趋势

第一个是临界模式的图腾柱 PFC

那么这种模式的 PFC 适用于功率比较小

通常是小于300W

使用多相 interleave 的方式

适用于普通的 MOS 管

工作在 ZVS 模式下

配合相位管理

那么也可以获得比较好的轻载效率

另外一个模式呢是

连续模式的图腾柱 PFC

元器件数量相对比较少

定频的控制

比如 GaN MOS 管作为

PFC 的主开关管和同步管

在轻载的时候可以工作在临界模式

实现 ZVS,获得比较高的效率

那么这里我们可以看到

GaN,Si 和 SiC 三种材料对应的一些特性对比

从带隙能量,场击穿电压,电子饱和迁移率

这些指标来看

GaN 都有非常好的特性

那么 GaN 更多详细的指标和特性

大家可以参考 EPC 具体的技术文档

从外特性来看

我们可以看到图上显示的

横轴是 Ron 乘以 Qg

纵轴是 Ron 乘以 Coss

那么从坐标图上我们可以看到

GaN 的 MOS 管特性会比

Si MOS 管特性

要好得非常多

从理论上来说

GaN MOS 管会有非常好的开关特性

和导通电阻 Rds_on

图上显示的是级联的高压 GaN MOS 管的结构图

那么从图上可以看到

它的原理结构

通常 GaN MOS 管用在 PFC

可以同时工作在主开关管

和输出整流二极管的位置上

那么这种结构的 GaN MOS 管

它的成本相应会比较低一些

驱动和以前的 MOS 管是一样的

在二极管模式下

它的正向导通压降相对会比较小

但是也有相应的一些缺点

它的反向恢复和普通的 MOS 管是一样的

驱动级的 Qg 相应会比较大

和普通 MOS 是一样的

那么另外一种是 Dmode-GaN 的结构

从图上我们可以看到

这种结构的 GaN MOS 管

会具有零的反向恢复特性

驱动的 Qg 会非常小

适用于高频的应用场合

但是呢它同时需要集成 GaN 的 driver

因为没有体二极管的效应存在

实际上在工作在二级管模式下

它的导通压降相对会比较高一些

它的导通压降相对会比较高一些

同时它也需要专门的驱动电路来驱动 GaN

图上显示的是无桥 PFC 的功率结构图

我们可以看到 Q1 Q2

是对应于工频的 MOS 管

那么 Q3 Q4 是 GaN MOS

Q3 和 Q4 可以作为开关管

或者是输出整流管

在正半周

那么我们可以看到

电流的回路

电流通过 EMI filter

流过电感,再流过 Q4

那么经过 Q2 回到 AC 的另外一端

这个时候 Q4 作为主开关管

Q3 作为输出整流管

在 Q4 关断之后

那么 Q3 导通

这个时候电感的能量通过 Q3

输出到输出电容

Dmode 的 GaN MOS 是没有体二极管的

但是呢在体二极管开关的时候

它会有一个类似二极管的过渡过程

那么通常这个时候看起来的 VF 还会比较高

针对这一个特性,我们需要准确的控制

PFC 主开关管和输出整流管之间的死区

使 GaN MOS 工作在一个

类似理想二极管的工作状态

从而获得比较高的效率

降低损耗

GaN MOS 管的一个非常重要的特性就是

GaN 的 Coss

随着 GaN 上的 Vds 变化非常小

基本上可以认为是一条直线

那么 PFC 主开关管和同步管之间的死区

我们可以通过相应的公式来进行计算

根据输出电压、电感电流的峰值

那么控制这个死区在一个合适的值

就可以让输出的整流管

比如输出的同步管

工作在理想二极管模式

大家好我是 TI 电源参考设计团队的应用工程师 Jason Yu这个 topic给大家介绍一下基于 GaN 的CCM 图腾柱无桥 PFC相关的参考设计和应用随着 computer 和 storage 的快速发展那么 AC/DC 效率的要求越来越高这个 topic,我们首先简单介绍一下AC/DC 整机电源的效率要求比如钛金级无桥 PFC 的拓扑和发展趋势GaN 的一些具体特性那么重点是基于 GaN 的无桥 PFC相关的应用设计和测试结果随着 computer storage 的快速发展那么对于 AC/DC 的效率要求越来越高我们可以看到,从80 Plus一直到白金级,钛金级那么整机,包括不同负载点的效率要求会越来越高在50%的负载点那么钛金级的效率要求是94和96相应的我们从表格里面可以看到那么在钛金级和白金级的效率要求下留给 PFC 的效率要求的裕量都非常的少对 PFC 的效率要求越来越高满足钛金级的效率要求那么至少要保证我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5%我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5%就目前来说小功率的 PFC使用临界导通模式和 interleave可以达到效率97.5的样子可以达到效率97.5的样子但是呢,对于大功率的 PFC无桥 PFC 看起来是对于钛金级要求的唯一的一个途径图上显示的是基本的无桥 PFC 拓扑结构图那么第一个图是比较早期的无桥 PFC看起来结构比较复杂效率会相对比较好一些控制也比较简单但是呢,元件数目会比较多相应的功率密度会比较低下面的图上显示的是无桥 PFC使用普通 MOS 管构成的拓扑相应的效率指标会比较好也比较容易控制但是呢,通常这种结构的 PFC是工作在 DCM适用于功率小于300W的场合图腾柱无桥 PFC 有两个趋势第一个是临界模式的图腾柱 PFC那么这种模式的 PFC 适用于功率比较小通常是小于300W使用多相 interleave 的方式适用于普通的 MOS 管工作在 ZVS 模式下配合相位管理那么也可以获得比较好的轻载效率另外一个模式呢是连续模式的图腾柱 PFC元器件数量相对比较少定频的控制比如 GaN MOS 管作为PFC 的主开关管和同步管在轻载的时候可以工作在临界模式实现 ZVS,获得比较高的效率那么这里我们可以看到GaN,Si 和 SiC 三种材料对应的一些特性对比从带隙能量,场击穿电压,电子饱和迁移率这些指标来看GaN 都有非常好的特性那么 GaN 更多详细的指标和特性大家可以参考 EPC 具体的技术文档从外特性来看我们可以看到图上显示的横轴是 Ron 乘以 Qg纵轴是 Ron 乘以 Coss那么从坐标图上我们可以看到GaN 的 MOS 管特性会比Si MOS 管特性要好得非常多从理论上来说GaN MOS 管会有非常好的开关特性和导通电阻 Rds_on图上显示的是级联的高压 GaN MOS 管的结构图那么从图上可以看到它的原理结构通常 GaN MOS 管用在 PFC可以同时工作在主开关管和输出整流二极管的位置上那么这种结构的 GaN MOS 管它的成本相应会比较低一些驱动和以前的 MOS 管是一样的在二极管模式下它的正向导通压降相对会比较小但是也有相应的一些缺点它的反向恢复和普通的 MOS 管是一样的驱动级的 Qg 相应会比较大和普通 MOS 是一样的那么另外一种是 Dmode-GaN 的结构从图上我们可以看到这种结构的 GaN MOS 管会具有零的反向恢复特性驱动的 Qg 会非常小适用于高频的应用场合但是呢它同时需要集成 GaN 的 driver因为没有体二极管的效应存在实际上在工作在二级管模式下它的导通压降相对会比较高一些它的导通压降相对会比较高一些同时它也需要专门的驱动电路来驱动 GaN图上显示的是无桥 PFC 的功率结构图我们可以看到 Q1 Q2是对应于工频的 MOS 管那么 Q3 Q4 是 GaN MOSQ3 和 Q4 可以作为开关管或者是输出整流管在正半周那么我们可以看到电流的回路电流通过 EMI filter流过电感,再流过 Q4那么经过 Q2 回到 AC 的另外一端这个时候 Q4 作为主开关管Q3 作为输出整流管在 Q4 关断之后那么 Q3 导通这个时候电感的能量通过 Q3输出到输出电容Dmode 的 GaN MOS 是没有体二极管的但是呢在体二极管开关的时候它会有一个类似二极管的过渡过程那么通常这个时候看起来的 VF 还会比较高针对这一个特性,我们需要准确的控制PFC 主开关管和输出整流管之间的死区使 GaN MOS 工作在一个类似理想二极管的工作状态从而获得比较高的效率降低损耗GaN MOS 管的一个非常重要的特性就是GaN 的 Coss随着 GaN 上的 Vds 变化非常小基本上可以认为是一条直线那么 PFC 主开关管和同步管之间的死区我们可以通过相应的公式来进行计算根据输出电压、电感电流的峰值那么控制这个死区在一个合适的值就可以让输出的整流管比如输出的同步管工作在理想二极管模式

大家好

我是 TI 电源参考设计团队的

应用工程师 Jason Yu

这个 topic

给大家介绍一下基于 GaN 的

CCM 图腾柱无桥 PFC

相关的参考设计和应用

随着 computer 和 storage 的快速发展

那么 AC/DC 效率的要求越来越高

这个 topic,我们首先简单介绍一下

AC/DC 整机电源的效率要求

比如钛金级

无桥 PFC 的拓扑和发展趋势

GaN 的一些具体特性

那么重点是基于 GaN 的无桥 PFC

相关的应用设计和测试结果

随着 computer storage 的快速发展

那么对于 AC/DC 的效率要求越来越高

我们可以看到,从80 Plus

一直到白金级,钛金级

那么整机,包括不同负载点的

效率要求会越来越高

在50%的负载点

那么钛金级的效率要求是94和96

相应的我们从表格里面可以看到

那么在钛金级和白金级的效率要求下

留给 PFC 的效率要求的裕量都非常的少

对 PFC 的效率要求越来越高

满足钛金级的效率要求

那么至少要保证

我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5%

我们 PFC 这一级的效率指标要在98.5%

就目前来说

小功率的 PFC

使用临界导通模式和 interleave

可以达到效率97.5的样子

可以达到效率97.5的样子

但是呢,对于大功率的 PFC

无桥 PFC 看起来是

对于钛金级要求的唯一的一个途径

图上显示的是基本的

无桥 PFC 拓扑结构图

那么第一个图是比较早期的无桥 PFC

看起来结构比较复杂

效率会相对比较好一些

控制也比较简单

但是呢,元件数目会比较多

相应的功率密度会比较低

下面的图上显示的是无桥 PFC

使用普通 MOS 管构成的拓扑

相应的效率指标会比较好

也比较容易控制

但是呢,通常这种结构的 PFC

是工作在 DCM

适用于功率小于300W的场合

图腾柱无桥 PFC 有两个趋势

第一个是临界模式的图腾柱 PFC

那么这种模式的 PFC 适用于功率比较小

通常是小于300W

使用多相 interleave 的方式

适用于普通的 MOS 管

工作在 ZVS 模式下

配合相位管理

那么也可以获得比较好的轻载效率

另外一个模式呢是

连续模式的图腾柱 PFC

元器件数量相对比较少

定频的控制

比如 GaN MOS 管作为

PFC 的主开关管和同步管

在轻载的时候可以工作在临界模式

实现 ZVS,获得比较高的效率

那么这里我们可以看到

GaN,Si 和 SiC 三种材料对应的一些特性对比

从带隙能量,场击穿电压,电子饱和迁移率

这些指标来看

GaN 都有非常好的特性

那么 GaN 更多详细的指标和特性

大家可以参考 EPC 具体的技术文档

从外特性来看

我们可以看到图上显示的

横轴是 Ron 乘以 Qg

纵轴是 Ron 乘以 Coss

那么从坐标图上我们可以看到

GaN 的 MOS 管特性会比

Si MOS 管特性

要好得非常多

从理论上来说

GaN MOS 管会有非常好的开关特性

和导通电阻 Rds_on

图上显示的是级联的高压 GaN MOS 管的结构图

那么从图上可以看到

它的原理结构

通常 GaN MOS 管用在 PFC

可以同时工作在主开关管

和输出整流二极管的位置上

那么这种结构的 GaN MOS 管

它的成本相应会比较低一些

驱动和以前的 MOS 管是一样的

在二极管模式下

它的正向导通压降相对会比较小

但是也有相应的一些缺点

它的反向恢复和普通的 MOS 管是一样的

驱动级的 Qg 相应会比较大

和普通 MOS 是一样的

那么另外一种是 Dmode-GaN 的结构

从图上我们可以看到

这种结构的 GaN MOS 管

会具有零的反向恢复特性

驱动的 Qg 会非常小

适用于高频的应用场合

但是呢它同时需要集成 GaN 的 driver

因为没有体二极管的效应存在

实际上在工作在二级管模式下

它的导通压降相对会比较高一些

它的导通压降相对会比较高一些

同时它也需要专门的驱动电路来驱动 GaN

图上显示的是无桥 PFC 的功率结构图

我们可以看到 Q1 Q2

是对应于工频的 MOS 管

那么 Q3 Q4 是 GaN MOS

Q3 和 Q4 可以作为开关管

或者是输出整流管

在正半周

那么我们可以看到

电流的回路

电流通过 EMI filter

流过电感,再流过 Q4

那么经过 Q2 回到 AC 的另外一端

这个时候 Q4 作为主开关管

Q3 作为输出整流管

在 Q4 关断之后

那么 Q3 导通

这个时候电感的能量通过 Q3

输出到输出电容

Dmode 的 GaN MOS 是没有体二极管的

但是呢在体二极管开关的时候

它会有一个类似二极管的过渡过程

那么通常这个时候看起来的 VF 还会比较高

针对这一个特性,我们需要准确的控制

PFC 主开关管和输出整流管之间的死区

使 GaN MOS 工作在一个

类似理想二极管的工作状态

从而获得比较高的效率

降低损耗

GaN MOS 管的一个非常重要的特性就是

GaN 的 Coss

随着 GaN 上的 Vds 变化非常小

基本上可以认为是一条直线

那么 PFC 主开关管和同步管之间的死区

我们可以通过相应的公式来进行计算

根据输出电压、电感电流的峰值

那么控制这个死区在一个合适的值

就可以让输出的整流管

比如输出的同步管

工作在理想二极管模式

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由于其出色的开关特性和经改进的性能指标,氮化镓 (GaN) 技术最近在电源转换应用中备受关注。具有低寄生电容和零反向恢复的非共源共栅 (cascoded) GaN可实现更高的开关频率和效率,从而提供了全新的应用和拓扑选择。连续传导模式 (CCM) 图腾柱PFC就是从GaN优点中受益的一种拓扑。与常用到的伪无桥式PFC拓扑相比,CCM图腾柱无桥PFC将半导体和升压电感器的数量减少了一半,同时将效率提升到99%的范围内。构建了一个450W图腾柱PFC电路,以表示第一款具有集成栅极驱动器的工业用非共源共栅 GaN所具有的特性。这款GaN充分证明了在性能方面的改进与提高。为了防止轻负载时的反向升压电流,提出了高精度飞轮GaN接通时间控制。还检查了高级开关频率控制,以优化转换器频率。

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