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(shù)鑒于其優(yōu)良的開關(guān)特性和持續(xù)提升的品質(zhì)，近年來在電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面慢慢得到了重視。本文根據(jù)電流連續(xù)傳導(dǎo)模式的圖騰柱無橋PFC拓?fù)涞奶攸c，將氮化鎵器件應(yīng)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(jié)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(guān)鍵詞】氮化鎵 PFC Simulink

電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)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(dǎo)致輸入的電流波形和電壓波形不一致，而且能夠產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。由于電壓與電流波形的頻率和相位不一致，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能的質(zhì)量，導(dǎo)致輸入功率因數(shù)降低。同時，諧波還會對電氣裝置造成干擾，導(dǎo)致儀器儀表和系統(tǒng)裝置產(chǎn)生誤計量或誤操作。為了提高電網(wǎng)供電質(zhì)量，抑制諧波污染，功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）已經(jīng)成為電力電子行業(yè)中的熱點。

提高功率因數(shù)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(jīng)被廣泛研究。由于Si器件性能已經(jīng)被發(fā)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(dǎo)體氮化鎵（GaN）的出現(xiàn)，由于其優(yōu)越的材料屬性，使GaN開關(guān)器件具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低等優(yōu)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(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在輸入電壓的每半個周期內(nèi)，都只有兩個半導(dǎo)體器件處于工作狀態(tài)，所以該拓?fù)渚哂虚_關(guān)損耗小和效率高的優(yōu)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(guān)頻率的影響，共模干擾較小。此外，該拓?fù)渲骰芈方Y(jié)構(gòu)簡單、器件利用率高。但圖騰柱無橋升壓PFC電路的兩只開關(guān)管即S3和S4中的體二極管，與傳統(tǒng)升壓PFC中快速恢復(fù)二極管起著類似的作用，因此該電路一般用在斷續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）和臨界導(dǎo)通模式（Critical Conduction Mode，CRM）下。如果電路工作于電流連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode，CCM），基于目前常用的有源開關(guān)器件的體二極管反向恢復(fù)時間，大大超過獨立快速恢復(fù)二極管的恢復(fù)時間，會導(dǎo)致其產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的反向恢復(fù)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(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。這個安全GaN場效應(yīng)晶體管集成了一個常開型GaN器件、一個低壓MOS場效應(yīng)晶體管、一個啟動電路和一個用于GaN器件的柵極驅(qū)動器。MOS場效應(yīng)晶體管具有與GaN共源共柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)相同的功能，能保證在施加Vcc偏置電壓前關(guān)閉常開型GaN器件。在施加Vcc并且建立柵極驅(qū)動器一個穩(wěn)定的負(fù)偏置電壓后，啟動邏輯電路將MOS場效應(yīng)晶體管打開，并在隨后保持導(dǎo)通狀態(tài)。由于GaN器件沒有少數(shù)載流子，所以沒有反向恢復(fù)的問題，與相應(yīng)的MOS場效應(yīng)晶體管相比，GaN的柵極電容小于10倍，輸出電容降低了數(shù)倍。安全的GaN場效應(yīng)晶體管充分體現(xiàn)了GaN的優(yōu)點，其優(yōu)良的開關(guān)特性保證了新型開關(guān)變換器的性能。還應(yīng)該注意是，因為安全GaN場效應(yīng)晶體管內(nèi)的體二極管實際上并不存在，當(dāng)一個反向電流流經(jīng)GaN場效應(yīng)晶體管，會在漏極和源極上產(chǎn)生一個負(fù)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(yīng)晶體管開始反向傳導(dǎo)，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(shù)伏特，運行在二極管模式下的傳導(dǎo)損耗，這時非常有必要通過接通GaN場效應(yīng)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(yīng)晶體管；Q1和Q2是AC整流器場效應(yīng)晶體管，它們是AC線路頻率上的開關(guān)，而D1和D2是浪涌路徑二極管。當(dāng)AC電壓被輸入，并且VAC1—VAC2處于正周期內(nèi)，Q2被接通時，Q4工作為一個有源開關(guān)，而Q3工作為一個升壓二極管。為了減少二極管的傳導(dǎo)損耗，Q4在同步整流模式中運行。而對于負(fù)AC輸入周期，此電路的運行方式一樣，具有交流開關(guān)功能。

2.3 仿真研究

按照圖3的原理，基于GaN器件的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用CCM電流連續(xù)導(dǎo)通模式的平均電流控制思想，設(shè)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(jié)果表明，這種拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)提高功率因數(shù)，升壓二極管可以自然關(guān)斷，且開關(guān)管可以實現(xiàn)零電流導(dǎo)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(yīng)晶體管、二極管和電阻等?？刂齐娐分饕腔赟TM32的內(nèi)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(jīng)過STM32的輸出PWM信號控制和驅(qū)動功率GaN場效應(yīng)晶體管，通過調(diào)節(jié)輸出信號的占空比來實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

選定合理的仿真參數(shù)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(shù)以及模型參數(shù)，通過持續(xù)地參數(shù)優(yōu)化，并且在模擬EMI電磁干擾的情況下，獲得了基于GaN場效應(yīng)晶體管功率因數(shù)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(shù)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(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，輸入電流的波形已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為與電壓同頻率同相位的正弦波。圖5所示的功率因數(shù)在GaN場效應(yīng)晶體管的優(yōu)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(jié)果，驗證了GaN 場效應(yīng)晶體管的確可以提高連續(xù)導(dǎo)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(jié)論

介紹了電流連續(xù)導(dǎo)通模式下的圖騰柱無橋Boost PFC電路特點，分析了GaN場效應(yīng)晶體管具有低寄生電容和零反向恢復(fù)的出色特性，可以使其實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和效率。設(shè)置合適的仿真參數(shù)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(shè)計工作。對基于乘法器的電壓環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行了修正，使優(yōu)化結(jié)果達到了設(shè)計要求。利用MATLAB軟件平臺搭建仿真模型，通過不斷地優(yōu)化仿真參數(shù)，獲得了很好的仿真結(jié)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(zhì)。

（通訊作者：黃立）

參考文獻

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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(xiàn)代電子技術(shù)。

作者單位

浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院 浙江省金華市 321004