基于氮化鎵的高頻圖騰柱PFC優(yōu)化設(shè)計(jì)

眾所周知，氮化鎵功率器件為電力電子系統(tǒng)提高頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率帶來(lái)可能。然而，在高頻下需要對(duì)EMI性能進(jìn)行評(píng)估以滿足EMC法規(guī)（例如EN55022 B類標(biāo)準(zhǔn)）要求。

為了達(dá)到此目標(biāo)，本文提出了針對(duì)連續(xù)電流模式無(wú)橋圖騰柱功率因數(shù)校正電路（PFC）的EMI濾波器設(shè)計(jì)流程。針對(duì)功率密度增加帶來(lái)的效率影響，將導(dǎo)致功率密度和效率之間的權(quán)衡，本文將氮化鎵基無(wú)橋圖騰柱PFC與傳統(tǒng)硅基PFC進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比，并提出了采用基于氮化鎵器件的圖騰柱PFC最佳范圍來(lái)權(quán)衡功率密度和效率。

EMI建模和濾波器設(shè)計(jì)

如圖1所示是單相無(wú)橋圖騰柱PFC的基本原理圖。為了滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和交流電源之間需要添加EMI濾波器，以衰減高速開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲。文獻(xiàn)[1]已經(jīng)對(duì)該拓?fù)溥M(jìn)行了詳細(xì)討論。與傳統(tǒng)的升壓PFC相比，由于省略了橋式二極管導(dǎo)通損耗，圖騰柱PFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率非常高。其中藍(lán)色晶體管代表高速橋臂，一般采用寬禁帶器件（例如GaN 功率器件）。

主要原因是氮化鎵器件具有零反向恢復(fù)（Qrr = 0），使得在高頻換流過(guò)程中高頻橋臂的開關(guān)損耗大大降低，所以可以采用連續(xù)電流模式對(duì)圖騰柱PFC進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足中大功率變換的需求。除了顯著降低開關(guān)損耗外，氮化鎵器件的零反向恢復(fù)還大大減少由高頻換流di / dt引起的EMI噪聲產(chǎn)生，特別是對(duì)于輻射噪聲，可以參考文獻(xiàn)[2]。本文下一部分將重點(diǎn)討論高頻連續(xù)電流模式圖騰柱PFC傳導(dǎo)噪聲的EMI建模方法。

圖1 單相無(wú)橋圖騰柱PFC的基本原理圖

如圖2所示，EMI噪聲是通過(guò)連接在交流電源和被測(cè)設(shè)備（DUT）之間的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）進(jìn)行測(cè)量。EMI測(cè)試接收器連接到LISN的輸出，以便與標(biāo)準(zhǔn)定義的限定值進(jìn)行比較。該LISN實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器功能，目的是將高頻噪聲電流捕獲到RC（0.1μF +50Ω）測(cè)試路徑中被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的EMI噪聲可以由EMI測(cè)試接收器通過(guò)50Ω電阻測(cè)量。同時(shí)，LISN還阻止了所有來(lái)自交流電網(wǎng)的噪聲，以確保接收器僅僅從被測(cè)設(shè)備測(cè)得噪聲。圖2給出了連續(xù)電流模式圖騰柱PFC的差模EMI濾波器等效電路，其包括兩級(jí)LC差模濾波器（LDM1 + CX1和LDM2 + CX2）。

圖2 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC的EMI濾波器等效電路

差模噪聲是由具有dv / dt和di / dt高頻開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生，同時(shí)需要考慮PFC電感上具有紋波電流影響。理論上，對(duì)于給定的功率和電感的紋波電流，第一個(gè)峰值噪聲幅值（Vnoise_pk）就確定下來(lái)。根據(jù)傅立葉分析，此Vnoise_pk可以通過(guò)以下公式估算：

其中，輸入電感電流i（t）是由紋波電流波形?i（t）加上工頻正弦電流總和得到：

?i（t）是電感L的紋波電流，由公式（3）可以得到，它根據(jù)L的電感，開關(guān)周期Ts，占空比D和輸入/輸出電壓Vin / Vout計(jì)算得出；Zc是電路阻抗，對(duì)于無(wú)橋圖騰柱PFC電路，可以用等效電阻負(fù)載來(lái)表示。

圖3 頻率為65KHz和200KHz的模擬噪聲對(duì)比

根據(jù)公式（1）至（3），圖3給出了具有230V交流輸入和400V 直流輸出的1.5KW 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC的差模噪聲頻譜，其中開關(guān)頻率分別設(shè)定為65KHz和200KHz。由此可見，模擬的差模噪聲頻譜具有以下特性：

• 噪聲頻譜是離散的，噪聲頻率是整數(shù)乘以開關(guān)頻率；在兩個(gè)不同的相鄰頻率之間不會(huì)有開關(guān)噪音。當(dāng)開關(guān)頻率為65KHz時(shí)，其低于150KHz EMI測(cè)試起始頻率，因此第一個(gè)需要衰減噪音產(chǎn)生在三倍開關(guān)頻率點(diǎn)即195KHz, 所需要衰減幅值約為28dBμV。當(dāng)開關(guān)頻率為200KHz時(shí)，其高于150KHz EMI測(cè)試起始頻率，因此200KHz基頻即為第一個(gè)需要衰減的噪音，所需要衰減幅值約為60dBμV。
• 噪聲頻譜幅度保持每格-40dBμV的斜率衰減。它也可以通過(guò)上述傅立葉推導(dǎo)得到證實(shí)，并且可以由文獻(xiàn)[3]推論得到。

EMI濾波器的目的是通過(guò)設(shè)計(jì)并帶有足夠的設(shè)計(jì)余量來(lái)抑制超出EMI標(biāo)準(zhǔn)限制的噪聲。因此輸入差模濾波器提供的滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)所需的衰減量DeltaEMI公式可寫為（4）：

這里：

• 公式（1）給出了Vnoise_pk計(jì)算，它表示不同頻率下第一個(gè)峰值噪聲幅度；
• Vlimit是EMI B類標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試限定值；
• Margin是EMI濾波器的設(shè)計(jì)余量，這里選擇6dBμV為設(shè)計(jì)余量；
• m = ceil（150KHz / fs），函數(shù)ceil表示舍入運(yùn)算，例如，如果開關(guān)頻率為65KHz，則m = 3；如果fs = 100KHz，m = 2；而對(duì)于fs> 150KHz，m = 0;
• “ -40log（m）” 表示噪聲頻譜從第一個(gè)開關(guān)頻率到第n個(gè)開關(guān)頻率保持幅度為每格-40dBμV衰減。

圖4（a）EMI濾波器提供的所需衰減（DeltaEMI）（b）差模濾波器在20μH + 2.2μF數(shù)值時(shí)兩級(jí)LC濾波器插入阻抗特性

基于上述的差模EMI噪聲模型，可得到如圖4（a）所示的1.5KW 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC電路的輸入EMI濾波器在不同頻率下所需衰減幅值。當(dāng)開關(guān)頻率在50KHz至75KHz的范圍內(nèi)時(shí)，最惡劣的150KHz以上噪聲頻率應(yīng)為三倍開關(guān)頻率。當(dāng)開關(guān)頻率為75KHz至150KHz時(shí)，最惡劣的噪聲頻率應(yīng)為二倍開關(guān)頻率。同時(shí)，在75KHz和150KHz頻率處存在衰減幅值的跳變點(diǎn)，即在75KHz或150KHz附近略微改變開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致濾波器設(shè)計(jì)很大差異。

因此，當(dāng)選擇75KHz和150KHz附近的開關(guān)頻率時(shí)，建議將開關(guān)頻率設(shè)置為略低于跳變點(diǎn)頻率。高于150KHz時(shí)，最惡劣的噪聲頻率是開關(guān)頻率的基頻，并且150KHz之后所需衰減噪聲幅值不會(huì)發(fā)生明顯跳變。在獲得所需的衰減DeltaEMI之后，插入兩級(jí)LC低通濾波器以抑制噪聲。公式（5）給出了其插入阻抗（InsertionDM）。

在得到衰減幅值（DeltaEMI）和插入阻抗（InsertionDM）之間的關(guān)系式后，可以在不同的濾波器轉(zhuǎn)折頻率fc下設(shè)計(jì)EMI濾波器的值。當(dāng)InsertionDM的絕對(duì)值等于或大于DeltaEMI（即│InsertionDM│≥│DeltaEMI│）時(shí)，其可以滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)要求并具有至少6dBμV的設(shè)計(jì)余量。

圖5是根據(jù)上述推導(dǎo)建模得出的1.5KW 圖騰柱PFC在65KHz和200KHz差模EMI濾波器設(shè)計(jì)。DeltaEMI（紅線）是隨頻率變化所需的衰減，而藍(lán)線是輸入濾波器的頻域插入阻抗（InsertionDM），用于衰減噪聲。當(dāng)DeltaEMI的絕對(duì)值等于InsertionDM的絕對(duì)值時(shí)，濾波器設(shè)計(jì)可以以6dBμV的余量通過(guò)EMI標(biāo)準(zhǔn)。它證明了在200KHz的高開關(guān)頻率下，與65KHz的低開關(guān)頻率相比，輸入EMI濾波器值（LDM1，LDM2，Cx1和Cx2）在濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc較高，濾波器尺寸較小。

如上所示，盡管要求的65KHz的第一衰減幅度低于200KHz的幅度，但要求的濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc卻不同，這意味著濾波器的轉(zhuǎn)折頻率越高，EMI濾波器的尺寸就越小。這種建模分析方法也可以應(yīng)用于共模 EMI濾波器設(shè)計(jì)，并且可以獲得與差模EMI設(shè)計(jì)相似的結(jié)論。因此高開關(guān)頻率并不一定會(huì)增加傳導(dǎo)EMI設(shè)計(jì)的難度。相反，可以有助于減小EMI濾波器的尺寸并提高功率密度。

圖565KHz和200KHz頻率下1.5KW 連續(xù)電流模式圖騰柱PFC EMI濾波器設(shè)計(jì)

電感尺寸和最優(yōu)頻率

除了EMI濾波器之外，開關(guān)頻率還影響PFC的電感對(duì)功率密度影響。理論上，開關(guān)頻率越高，電感值和尺寸越小。然而，在小尺寸的情況下，電感的散熱面積受到限制，因此應(yīng)將電感的損耗和熱設(shè)計(jì)考慮進(jìn)去，在體積與熱之間做權(quán)衡。圖6是1.5KW 連續(xù)模式圖騰柱PFC在 65KHz到300KHz下電感參數(shù)比較，電感的尺寸從100KHz到200KHz是得到顯著減小，當(dāng)開關(guān)頻率高達(dá)300KHz，考慮到由于散熱面積的限制而引起的電感溫度上升，體積減小的幅度將大大降低。

圖6不同頻率下1.5KW連續(xù)電流模式圖騰柱PFC電感的尺寸

如引言中所述，功率密度的增加（即體積的減小）會(huì)影響效率，這兩個(gè)指標(biāo)之間存在折衷。根據(jù)應(yīng)用，對(duì)效率和功率密度的目標(biāo)有不同的權(quán)衡。例如，對(duì)于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源，由于節(jié)能鈦金等80+標(biāo)準(zhǔn)要求，通常優(yōu)先目標(biāo)是首先選擇目標(biāo)效率，然后盡可能提高功率密度。然而，對(duì)于電動(dòng)車車載充電機(jī)，通常功率密度和重量更為重要，并且優(yōu)先目標(biāo)將是實(shí)現(xiàn)小體積，然后盡可能地提高效率。

圖7 1.5KW 連續(xù)電流模式PFC的最高效率和功率密度

圖7顯示了兩種配置的1.5KW PFC最高效率和功率密度與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線。第一種是帶硅MOSFET和碳化硅肖特基二極管的傳統(tǒng)交錯(cuò)式升壓PFC電路，簡(jiǎn)稱為硅基PFC，另一種是采用氮化鎵（ GS66508B）的無(wú)橋圖騰柱PFC電路，簡(jiǎn)稱為氮化鎵基PFC。對(duì)于硅基PFC，效率性能受到硅MOSFET的品質(zhì)因數(shù)（FOM）和橋式二極管的額外導(dǎo)通損耗的限制。因此，硅基PFC的開關(guān)頻率通常會(huì)被限制在100KHz以下，并且較難實(shí)現(xiàn)更高功率密度。

氮化鎵基PFC可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的功率密度。根據(jù)上面的EMI濾波器和電感器設(shè)計(jì)分析，我們可以計(jì)算出氮化鎵基PFC隨開關(guān)頻率增對(duì)功率密度的提升。采用氮化鎵基PFC可以在100KHz到200KHz下顯著增加功率密度，而超過(guò)300KHz時(shí)，由于熱性能的考慮功率密度增加受到限制，隨著電感和晶體管損耗的增加，峰值效率會(huì)低于98％。關(guān)于效率比較，氮化鎵器件具有極低開關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)，因此，隨著開關(guān)頻率的增加，氮化鎵基PFC的最高效率曲線相對(duì)硅基PFC來(lái)說(shuō)平坦得多。

簡(jiǎn)而言之，氮化鎵器件幫助實(shí)現(xiàn)了更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度，同時(shí)保持相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于這個(gè)特定的1.5KW設(shè)計(jì)示例，氮化鎵基PFC的最佳頻率范圍是200KHz至250KHz，以達(dá)到權(quán)衡效率和功率密度的目的。

總結(jié)

本文介紹了一種用于高頻無(wú)橋圖騰柱PFC的簡(jiǎn)單EMI濾波器建模方法。綜上所述，氮化鎵功率器件具有更高工作開關(guān)頻率下的高效率，提升了功率密度，進(jìn)而得到更小體積的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。文章提供了1.5KW氮化鎵基無(wú)橋圖騰柱PFC的最佳頻率范圍，以實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率的權(quán)衡。