基于GaN FET的CCM圖騰柱無橋PFC

　　氮化鎵 (GaN) 技術(shù)由于其出色的開關(guān)特性和不斷提升的品質(zhì)，近期逐漸得到了電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用的青睞。具有低寄生電容和零反向恢復(fù)的安全GaN可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和效率，從而為全新應(yīng)用和拓?fù)溥x項(xiàng)打開了大門。連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM)圖騰柱PFC就是一個(gè)得益于GaN優(yōu)點(diǎn)的拓?fù)?。與通常使用的雙升壓無橋PFC拓?fù)湎啾?，CCM圖騰柱無橋PFC能夠使半導(dǎo)體開關(guān)和升壓電感器的數(shù)量減半，同時(shí)又能將峰值效率推升到95%以上。本文分析了AC交叉區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)電流尖峰的根本原因，并給出了相應(yīng)的解決方案。一個(gè)750W圖騰柱PFC原型機(jī)被構(gòu)造成具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器的安全GaN，并且展示出性能方面的提升。

　　I. 簡(jiǎn)介

　　當(dāng)按下智能手機(jī)上的一個(gè)按鈕時(shí)，這個(gè)手機(jī)會(huì)觸發(fā)一個(gè)巨大的通信網(wǎng)絡(luò)，并且連接到數(shù)千英里之外的數(shù)據(jù)中心。承載通信數(shù)據(jù)時(shí)的功耗是不可見的，而又大大超過了人們的想象。世界信息通信技術(shù) (ICT) 生態(tài)系統(tǒng)的總體功耗正在接近全球發(fā)電量的10% [1]。單單一個(gè)數(shù)據(jù)中心，比如說位于北卡羅來納州的臉譜公司的數(shù)據(jù)中心，耗電量即達(dá)到40MW。另外還有兩個(gè)位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州和中國(guó)重慶的200MW數(shù)據(jù)中心正在建設(shè)當(dāng)中。隨著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信網(wǎng)絡(luò)的快速增長(zhǎng)，持續(xù)運(yùn)行電力系統(tǒng)的效率變得越來越重要?，F(xiàn)在比以前任何時(shí)候都需要對(duì)效率進(jìn)行空前的改進(jìn)與提升。

　　幾乎所有ICT生態(tài)系統(tǒng)的能耗都轉(zhuǎn)換自AC。AC輸入首先被整流，然后被升壓至一個(gè)預(yù)穩(wěn)壓電平。下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)隔離式48V或24V電壓，作為電信無線系統(tǒng)的電源，以及存儲(chǔ)器和處理器的內(nèi)核電壓。隨著MOSFET技術(shù)的興起和發(fā)展，電力轉(zhuǎn)換效率在過去三十年間得到大幅提升。自2007年生效以來，Energy Star(能源之星)80 PLUS效率評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范 [2] 將針對(duì)AC/DC整流器的效率等級(jí)從黃金級(jí)增加到更高的白金級(jí)，并且不斷提高到鈦金級(jí)。然而，由于MOSFET的性能限制，以及與鈦金級(jí)效率要求有關(guān)的重大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，效率的改進(jìn)與提升正在變慢。為了達(dá)到96%的鈦金級(jí)峰值效率，對(duì)于高壓線路來說，功率因數(shù)校正 (PFC) 電路效率的預(yù)算效率應(yīng)該達(dá)到98.5%及以上，對(duì)于低壓電路，這個(gè)值應(yīng)該不低于96.4%。發(fā)展前景最好的拓?fù)涫菬o橋PFC電路，它沒有全波AC整流器橋，并因此降低了相關(guān)的傳導(dǎo)損耗。[3] 對(duì)于不同無橋PFC的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了很好的總結(jié)。這個(gè)性能評(píng)價(jià)的前提是，所使用的有源開關(guān)器件為MOSFET或IGBT。大多數(shù)鈦金級(jí)AC/DC整流器設(shè)計(jì)使用圖6中所示的拓?fù)?[3]，由兩個(gè)電路升壓組成。每個(gè)升壓電路在滿功率下額定運(yùn)行，不過只在一半AC線路周期內(nèi)運(yùn)行，而在另外周期內(nèi)處于空閑狀態(tài)。這樣的話，PFC轉(zhuǎn)換器以材料和功率密度為代價(jià)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)比較高的效率值 [4]。通常情況下，由于MOSFET體二極管的緩慢反向恢復(fù)，一個(gè)圖騰柱PFC無法在連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 下高效運(yùn)行。然而，它能夠在電壓開關(guān)為零 (ZVS) 的變換模式下實(shí)現(xiàn)出色的效率值。數(shù)篇論文中已經(jīng)提到，PFC效率可以達(dá)到98.5%-99%。對(duì)于高功率應(yīng)用來說，多個(gè)圖騰柱升壓電路可以交錯(cuò)在一起，以提高功率水平，并且減少輸入電流紋波。然而，這個(gè)方法的缺點(diǎn)就是控制復(fù)雜，并且驅(qū)動(dòng)器和零電流檢測(cè)電路的成本較高。此外，因此而增加的功率組件數(shù)量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低功率密度設(shè)計(jì)。因此，這個(gè)簡(jiǎn)單的圖騰柱電路需要高效運(yùn)行在CCM下，以實(shí)現(xiàn)高功率區(qū)域，并且在輕負(fù)載時(shí)切換至具有ZVS的TM。通過使用這個(gè)方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。作為一款新興半導(dǎo)體開關(guān)，氮化鎵 (GaN) FET正在逐漸走向成熟，并且使此類應(yīng)用成為可能。Transphorm公司已經(jīng)在APEC 2013上展示了一款峰值效率達(dá)到99%的基于GaN的圖騰柱CCM PFC [9]。[10-12] 還介紹了GaN器件出色的開關(guān)特性，以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。為了更好地理解GaN特性，并且進(jìn)一步解決應(yīng)用中存在的顧慮，特別是開關(guān)頻率和交叉電流尖峰問題，這篇文章討論了：II. GaN技術(shù)概述、III. 圖騰柱CCM PFC控制、IV. 實(shí)驗(yàn)和V. 結(jié)論。

　　II. GaN技術(shù)概述

　　GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT) 首次問世是在2004年。HEMT結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非同尋常的高電子遷移率，這個(gè)值所表示的是一個(gè)AlGaN和GaN異構(gòu)表面附近的二維電子氣 (2DEG)。正因如此，GaN HEMT也被稱為異構(gòu)FET (HFET)，或者簡(jiǎn)單地稱為FET?；綠aN晶體管結(jié)構(gòu)如圖1中所示 [13]。源電極和漏電極穿透AlGaN層的頂部，并且接觸到下面的2DEG。這就在源極和漏極之間形成一個(gè)低阻抗路徑，而也就自然而然地形成了一個(gè)D模式器件。通過將負(fù)電壓施加到柵極上，2DEG的電子被耗盡，晶體管被關(guān)閉。

　　圖1—D-mode GaN FET結(jié)構(gòu)

　　圖2—E-mode GaN FET結(jié)構(gòu)

　　增強(qiáng)模式 (E-mode) GaN晶體管器件使用與D-mode GaN器件一樣的基底工藝，在一個(gè)硅 (Si) 或碳化硅 (SiC) 基板頂部培養(yǎng)一層薄薄的氮化鋁 (AlN) 絕緣層。然后，高阻性GaN和一個(gè)氮化鋁鎵與GaN的異構(gòu)體被先后放置在AlN上。源電極與2DEG接觸，而漏電極與GaN接觸。對(duì)于柵極的進(jìn)一步處理在柵極下形成一個(gè)耗盡層。圖2中給出了這個(gè)基本結(jié)構(gòu)。要接通FET，必須在柵極上施加一個(gè)正電壓。

　　B.GaN，SiC和Si的物理屬性比較

　　一個(gè)半導(dǎo)體材料的物理屬性決定了終端器件的最終性能。表1中顯示的是影響器件性能的主要屬性。

　　表1—GaN、SiC和Si在300 Kelvin時(shí)的材料屬性 [14-18]。

　　EG是帶隙能量。EG>1.4的半導(dǎo)體通常被稱為寬帶隙材料。EG更大的材料將需要更多的能量來將電子從其鍵位上斷開，以穿越帶隙。它具有更低的泄露電流和更高的溫度穩(wěn)定性。EBR是臨界區(qū)域擊穿電壓，這個(gè)電壓會(huì)直接影響到電離和雪崩擊穿電壓電平。VS是飽和速率。峰值電子漂移速率決定了開關(guān)頻率限值。µ是電子遷移率，它與接通電阻成反比。接通電阻與這個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系為 [19]：

　　與一個(gè)Si器件相比，如圖3的品質(zhì)因數(shù)中所示，碳化硅的接通電阻減少了大約500倍，而對(duì)于一個(gè)指定尺寸的半導(dǎo)體來說，GaN的這些值甚至更高。

　　圖3—硅、碳化硅和氮化鎵理論接通電阻與阻斷電壓能力之間的關(guān)系 [16]。

　　過去三十年間，硅 (Si) 在功率應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。但是，隨著其性能接近了理論限值，性能方面的提升也變得十分有限。作為2個(gè)新興半導(dǎo)體材料，SiC和GaN看起來似乎是針對(duì)未來高性能應(yīng)用的極有發(fā)展前途的候選材料。

　　C.在FET模式和二極管模式中運(yùn)行的GaN器件

　　D-mode和E-mode GaN FET的輸出特性如圖4中所示 [13]。很明顯，D-mode器件使用起來不太方便，其原因在于，將一個(gè)功率級(jí)連接至DC輸入之前，必須在功率器件上施加一個(gè)負(fù)偏置電壓。相反地，E-mode GaN FET，正如MOSFET，通常情況下是關(guān)閉的，并且對(duì)于應(yīng)用來說更加友好。然而，常開型GaN器件更加易于生產(chǎn)，并且性能要好很多 [20]。對(duì)于一個(gè)指定區(qū)域或?qū)娮瑁珼-mode GaN FET的柵極電荷和輸出電容比E-mode GaN FET的少一半。而這在開關(guān)電力轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中具有重大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于高壓GaN器件來說，大多數(shù)供應(yīng)商正在使用圖5中所示的，具有共源共柵LV NMOSFET結(jié)構(gòu)的D-mode GaN。LV NMOS是一種具有低Rds-on和快速反向恢復(fù)體二極管的20V-30V硅材料N溝道MOSFET。當(dāng)把一個(gè)正電壓施加到GaN共源共柵FET的漏極與源極之間時(shí)，內(nèi)部MOSFET的Vds在FET關(guān)閉時(shí)開始上升，進(jìn)而在GaN器件的柵極和源極上形成一個(gè)負(fù)電壓，從而使GaN器件關(guān)閉。通常情況下，MOSFET的Vds將保持幾伏特的電壓，這個(gè)電壓足夠使GaN器件保持在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)施加?xùn)艠O電壓時(shí)，MOSFET被接通，這使得MOSFET的柵極與源極短接，隨后，GaN器件被接通。在FET模式下，一個(gè)GaN共源共柵FET與具有擴(kuò)展GaN電壓額定值和附加GaN電阻的集成MOSFET的工作方式十分相似。然而，GaN器件決定了輸出電容值，而這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之相對(duì)應(yīng)的MOSFET的Coss。GaN器件本身沒有體二極管，但是，當(dāng)反向電流被施加到GaN共源共柵FET上時(shí)，MOSFET的體二極管首先導(dǎo)電，而這樣實(shí)際上就把體二極管的Vf施加到GaN器件的柵極上，隨后GaN器件被接通。這樣的話，低壓FET的體二極管運(yùn)行為共源共柵開關(guān)“體二極管”。由于LV MOSFET的正向壓降和Qrr比高壓MOSFET要低，所以這樣做還是有其實(shí)際意義的。出色的體二極管運(yùn)行方式是GaN共源共柵FET的其中一個(gè)主要特性和優(yōu)勢(shì)。由于對(duì)GaN共源共柵FET驅(qū)動(dòng)的要求與對(duì)于傳統(tǒng)MOSFET的要求是一樣的，在應(yīng)用采用方面，MOSFET的直接簡(jiǎn)易替換也是GaN共源共柵FET的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)。共源共柵方法的缺點(diǎn)在于，集成MOSFET必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)切換。GaN共源共柵FET繼承了MOSFET開關(guān)的某些特點(diǎn)，其中包括大柵極電荷與反向恢復(fù)。這些特點(diǎn)限制了GaN器件的性能。

　　圖4—D-mode GaN FET(上圖)和E-mode GaN FET(下圖)的輸出特點(diǎn) [13]。

　　圖5—GaN共源共柵FET結(jié)構(gòu)。