基于GaN器件的图腾柱无桥Boost PFC电路的研究

黄立 张浩然

摘 要 氮化镓技术鉴于其优良的开关特性和持续提升的品质，近年来在电力转换应用方面慢慢得到了重视。本文根据电流连续传导模式的图腾柱无桥PFC拓扑的特点，将氮化镓器件应用于电路中以提高功率因素。利用Simulink软件对电路进行了仿真和分析，结果表明平均电流控制的无桥PFC达到了提高功率因素的目的。

【关键词】氮化镓 PFC Simulink

电力电子设备在电力系统和日常生活中的广泛使用，带来了便捷的同时也伴随着谐波污染问题。谐波污染不仅会导致输入的电流波形和电压波形不一致，而且能够产生严重的畸变。由于电压与电流波形的频率和相位不一致，会严重影响电网电能的质量，导致输入功率因数降低。同时，谐波还会对电气装置造成干扰，导致仪器仪表和系统装置产生误计量或误操作。为了提高电网供电质量，抑制谐波污染，功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）已经成为电力电子行业中的热点。

提高功率因数校正变换器的效率与功率密度是有效途径之一，基于硅（Si）器件的Boost PFC变换器已经被广泛研究。由于Si器件性能已经被发掘接近极限，基于其的变换器特性也很难再提高。近年来，新宽禁带半导体氮化镓（GaN）的出现，由于其优越的材料属性，使GaN开关器件具有开关速度快、导通电阻低等优点。GaN器件的逐渐普及为变换器性能提高到一个新的等级提供了可能。

1 图腾柱无桥Boost PFC电路

如图1所示，分析电路结构可以发现，在输入电压的每半个周期内，都只有两个半导体器件处于工作状态，所以该拓扑具有开关损耗小和效率高的优点。并且在电路的工作过程中，输入端通过二极管D1或D2与输出端相连，所以输出不受开关频率的影响，共模干扰较小。此外，该拓扑主回路结构简单、器件利用率高。但图腾柱无桥升压PFC电路的两只开关管即S3和S4中的体二极管，与传统升压PFC中快速恢复二极管起着类似的作用，因此该电路一般用在断续导通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）和临界导通模式（Critical Conduction Mode，CRM）下。如果电路工作于电流连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM），基于目前常用的有源开关器件的体二极管反向恢复时间，大大超过独立快速恢复二极管的恢复时间，会导致其产生相当严重的反向恢复损耗，效率提高的可能性也极为有限。

2 基于GaN无桥Boost PFC电路

2.1 GaN器件的特性

如图2所示，介绍了一个全新的安全GaN场效应晶体管结构。这个安全GaN场效应晶体管集成了一个常开型GaN器件、一个低压MOS场效应晶体管、一个启动电路和一个用于GaN器件的栅极驱动器。MOS场效应晶体管具有与GaN共源共栅场效应晶体管结构相同的功能，能保证在施加Vcc偏置电压前关闭常开型GaN器件。在施加Vcc并且建立栅极驱动器一个稳定的负偏置电压后，启动逻辑电路将MOS场效应晶体管打开，并在随后保持导通状态。由于GaN器件没有少数载流子，所以没有反向恢复的问题，与相应的MOS场效应晶体管相比，GaN的栅极电容小于10倍，输出电容降低了数倍。安全的GaN场效应晶体管充分体现了GaN的优点，其优良的开关特性保证了新型开关变换器的性能。还应该注意是，因为安全GaN场效应晶体管内的体二极管实际上并不存在，当一个反向电流流经GaN场效应晶体管，会在漏极和源极上产生一个负向电压，此时GaN器件的工作方式就无异于普通二极管。源漏电压Vds在达到特定的阀值时，GaN场效应晶体管开始反向传导，而这个阀值就是体二极管的正向压降。正向压降能够很高，甚至达到数伏特，运行在二极管模式下的传导损耗，这时非常有必要通过接通GaN场效应晶体管来减少。

2.2 基于GaN的图腾柱无桥Boost PFC电路

图3中所示的是一个常见的图腾柱无桥Boost PFC电源电路。Q3和Q4是安全GaN场效应晶体管；Q1和Q2是AC整流器场效应晶体管，它们是AC线路频率上的开关，而D1和D2是浪涌路径二极管。当AC电压被输入，并且VAC1—VAC2处于正周期内，Q2被接通时，Q4工作为一个有源开关，而Q3工作为一个升压二极管。为了减少二极管的传导损耗，Q4在同步整流模式中运行。而对于负AC输入周期，此电路的运行方式一样，具有交流开关功能。

2.3 仿真研究

按照图3的原理，基于GaN器件的PFC拓扑结构，采用CCM电流连续导通模式的平均电流控制思想，设计了一个输入AC220 V输出DC400 V的图腾柱无桥Boost PFC仿真电路，在MATLAB软件的Simulink中搭建出了电路的仿真模型。仿真结果表明，这种拓扑可以实现提高功率因数，升压二极管可以自然关断，且开关管可以实现零电流导通。

在APFC主电路的Boost变换器中，包括的模型主要有电感、电容、GaN场效应晶体管、二极管和电阻等。控制电路主要是基于STM32的内部模型，特别是对乘法器、比较器、PI控制器、电流误差放大器和电压误差放大器的模拟仿真。最后，经过STM32的输出PWM信号控制和驱动功率GaN场效应晶体管，通过调节输出信号的占空比来实现功率因数校正的目的。

选定合理的仿真参数和元器件值，特别是电压误差放大器和电流误差放大器的传递函数以及模型参数，通过持续地参数优化，并且在模拟EMI电磁干扰的情况下，获得了基于GaN场效应晶体管功率因数校正电路的输入电压和电流波形、输出电压波形与功率因数波形。

图4中的输入电压和输入电流波形，清楚地表明了通过有源功率因素校正电路，并且在电路系统达到稳定状态之后，输入电流的波形已经被转换为与电压同频率同相位的正弦波。图5所示的功率因数在GaN场效应晶体管的优秀性能条件下，达到了0.99以上。从图6中能够看出，加入有源功率因素校正电路之后，在输出端获得了纹波很小的400V直流电压。从一系列的仿真中可以看到，得到了比较满意的仿真结果，验证了GaN 场效应晶体管的确可以提高连续导通模式下的图腾柱无桥Boost PFC电路的APFC电路的功率因素。

3 结论

介绍了电流连续导通模式下的图腾柱无桥Boost PFC电路特点，分析了GaN场效应晶体管具有低寄生电容和零反向恢复的出色特性，可以使其实现更高的开关频率和效率。设置合适的仿真参数和元器件值，完成了基于GaN器件的釆用平均电流控制的APFC电路设计工作。对基于乘法器的电压环和电流环的双闭环补偿网络参数进行了修正，使优化结果达到了设计要求。利用MATLAB软件平台搭建仿真模型，通过不断地优化仿真参数，获得了很好的仿真结果，说明了基于GaN器件的圖腾柱无桥PFC电路具有提升功率因素的卓越品质。

（通讯作者：黄立）

参考文献

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作者简介

黄立（1993-），男，硕士研究生在读。主要研究方向为传感器与信号检测。

张浩然（1972-），男，博士，教授。主要研究方向为智能信息处理与现代电子技术。

作者单位

浙江师范大学数理与信息工程学院 浙江省金华市 321004