集成式GaN 單開關管功率因數校正變換器

摘要：傳統的降壓型功率因數校正（power factor correction，PFC）變換器由于存在高諧波電流的缺點，較難滿足IEC61000-3-2 C 類限值，其應用受到很大限制。文中設計并搭建了一種集成式功率因數校正變換器，該變換器由一個降壓PFC 變換器和一個反激PFC 變換器組成，其中降壓和反激PFC 變換器采用輸入并聯和輸出并聯連接方式共用一個GaN 開關管和控制電路，降低變換器成本。集成式變換器在臨界導通模式（critical conduction mode，CRM）恒定導通時間（constant on time，COT）控制下，反激單元消除了降壓輸入電流死區的影響，利用降壓和反激PFC 變換器的優勢和GaN 開關管的優異性能，變換器可以在寬電壓輸入范圍下實現高效率和低總諧波失真。文中介紹了電路結構和工作原理，通過PSIM（power simulation）仿真驗證理論推導的正確性，最后搭建了滿載效率為94.1%的120 W 樣機，驗證了該方案的可行性。

關鍵詞：功率因數校正變換器；氮化鎵；集成式；低總諧波失真

中圖分類號：TM461 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）07-063-11

近年來，電力電子裝置已經廣泛地應用于能源、工業和交通等相關領域。為了減小電力電子裝置對電網的諧波污染，一些國家和學術團隊頒布并實施了一系列的電流諧波標準，如IEC555-2、IEEE519 和IEC61000-3-2 等。為了滿足這些諧波標準，必須使用功率因數校正（power factor correction，PFC）技術來限制變換器的輸入電流畸變與諧波以達到標準限值要求[1-6]。隨著第三代半導體材料的快速發展，以GaN 為代表的第三代寬禁帶半導體功率器件較傳統Si 基功率器件具有高擊穿電場、高熱導率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度和可承受大功率等特點，可使變換器具有更高頻率、更高轉換效率和更高功率密度等特點[7-8]。因此，基于GaN 功率器件的PFC 變換器受到越來越多的關注與研究[9-10]，其相關技術也被廣泛應用于移動端設備電源適配器、快速充電器及LED 照明驅動電源[11-12]。目前全球GaN 功率器件市場由Infineon、GaN Systems、Transphorm 和Navitas 等公司主導，產品主要由TSMC、Episil、X-FAB 代工。國內新興公司中，英諾賽科、芯冠、三安光電和海特高新等公司具有量產GaN 功率器件的能力。國產GaN 功率器件擁有相同甚至優于進口GaN 芯片的性能指標，且采購方便、成本較低，國內越來越多的研發人員優先選用國產GaN 功率器件，避免未來出現被西方國家“卡脖子”的現象。

在通用電壓（90～265 V）輸入的變換器應用中，傳統的降壓型PFC 變換器存在輸入電流死區影響導致功率因數過低，對電網產生諧波污染，難以滿足如IEC555-2、IEEE519 和IEC61000-3-2 等電流諧波標準。目前，研究人員已經進行了許多研究來改善降壓型PFC 變換器的性能。Wu 等[13]提出了一種針對臨界導通模式（critical conduction mode，CRM）降壓型PFC 變換器的可變導通時間控制方法，旨在降低輸入諧波電流，提高功率因數。然而，輸入電流的死區仍無法消除，不能在低電壓輸入下獲得高功率因數。Xie 等[14]設計一個降壓和反激拓撲的集成式變換器，根據輸入電壓是低于還是高于輸出電壓來運行，以消除輸入電流的死區。然而，該變換器需要多個開關管，增加了控制器的復雜性。Zhang 等[15]使用降壓拓撲來實現無橋降壓PFC 功能，但該變換器需要多個開關管和復雜的控制。上述研究所提出的變換器受到電路拓撲、開關管數量和開關管性能的限制，均不能獲得高功率因數和高能量轉換效率。

為了解決以上問題，筆者設計并搭建了一種基于GaN 單開關管的降壓-反激集成式PFC 變換器。該變換器由降壓和反激PFC 變換器組成，僅使用一個GaN 開關管[9]，利用降壓和反激PFC 變換器的優勢和第三代寬禁帶半導體器件的優異性能[10]，可以在通用電壓輸入范圍下實現高效率和低總諧波失真。