Rectificador corrector del factor de potencia con tecnología GaN

Los rectificadores de corrección del factor de potencia (PFC) de CA/CC se benefician enormemente de los FET de GaN. Su topología es muy simple. El inductor es el único componente magnético, que suele ser un inductor de modo de conducción continua (CCM) de frecuencia constante. El efecto de los FET de GaN en el rendimiento del rectificador PFC se puede demostrar directamente.

Los FET GaN de 650 V tienen una capacitancia parásita más baja, lo que reduce las pérdidas de conmutación. Además, el FET GaN de 650 V tiene una resistencia de encendido (R_al) Con el mismo tamaño de chip en comparación con los MOSFET de Si de 650 V, los FET de GaN eliminan las pérdidas de recuperación inversa. El uso de FET de GaN aumenta la eficiencia máxima de las fuentes de alimentación conmutadas al 99 %.^1-4 Si bien el costo de GaN continúa siendo un obstáculo para la adopción generalizada en la industria, el rendimiento que se puede lograr con los FET de GaN, incluida una mayor eficiencia y densidad, finalmente tendrá un impacto positivo en el costo total de las soluciones de fuente de alimentación conmutada. En este artículo, analizamos en profundidad los rectificadores PFC basados ​​en GaN y revisamos las topologías, el control y el rendimiento de PFC sin puente de GaN.

Topología PFC de GaN

Un PFC de refuerzo convencional usa solo un interruptor activo y, por lo general, usa un MOSFET de Si de superunión de 650 V. La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas convencionales en la actualidad utilizan PFC de impulso para aprovechar su simplicidad, bajo costo y confiabilidad. Reemplazar los MOSFET de Si de 650 V con FET de GaN de 650 V puede reducir las pérdidas de conmutación, pero la mejora de la eficiencia es pequeña, generalmente alrededor del 0,1 % al 0,15 %. Sin embargo, reemplazar el diodo de recuperación rápida con otro FET GaN de 650 V reduce significativamente las pérdidas de conducción del diodo debido a la baja eliminación de R._al Los FET y los FET de GaN eliminan las pérdidas de recuperación inversa. Este cambio mejora la eficiencia en aproximadamente un 0,25%.

Las altas pérdidas de conducción debidas a los puentes de diodos son otra fuente importante de pérdidas de conmutación.Reemplace el puente de diodos con Low R_al Un MOSFET de Si puede mejorar la eficiencia en aproximadamente un 0,4 %. Los puentes de diodos también se pueden reemplazar con estructuras de dispositivos híbridos que incluyen puentes de diodos y MOSFET de Si.^Cinco Los dispositivos híbridos pueden reducir las pérdidas de conducción a bajo costo desde cargas ligeras hasta cargas pesadas.

El PFC sin puente de refuerzo dual es otra topología popular utilizada en fuentes de alimentación conmutadas. Nuevamente, reemplazar el MOSFET de Si con un FET GaN de 650 V produce una mejora de la eficiencia de aproximadamente 0,1 % a 0,15 %, y reemplazar el diodo de recuperación rápida produce una mejora de la eficiencia de aproximadamente 0,25 %.Finalmente reemplace el diodo de baja frecuencia con un R bajo_al Los MOSFET de Si o los MOSFET híbridos pueden mejorar la eficiencia en otro 0,25 %. Sin embargo, un PFC de impulso dual con dos fases de impulso alternas tiene una utilización menor del inductor y del dispositivo.

Una topología PFC de tótem de GaN tiene solo dos FET de GaN, dos MOSFET de Si (o interruptores híbridos) y un inductor. Esta topología utiliza menos y hace un mejor uso de los dispositivos e inductores que el uso de un PFC de refuerzo sin puente y un PFC de refuerzo doble. Los PFC de tótem son un poco más eficientes y densos que los PFC de refuerzo dual, y a un costo menor.

Control de PFC de GaN

El control de GaN PFC se puede resumir en función de los esquemas de modulación del modo de conducción continua (CCM), el modo de conducción crítica (CRM) y el modo de onda cuasi cuadrada (QSW). Para CCM, la frecuencia de conmutación es constante y la pérdida de conmutación es grande, por lo que la frecuencia de conmutación es relativamente baja. En este caso, el control de corriente promedio convencional, comúnmente utilizado para impulsar los PFC, se puede aplicar a los PFC de GaN. CRM está disponible con control de corriente máxima tradicional y control de tiempo constante que también se utiliza para impulsar PFC. El control CRM tradicional también incorpora el control del modo de conducción discontinuo (DCM), que puede limitar la frecuencia de conmutación máxima.

La operación y el control del modo QSW a menudo se discuten para los PFC de GaN porque la eliminación de las pérdidas de encendido permite frecuencias de conmutación mucho más altas y un tamaño de convertidor reducido. Se ha discutido una estrategia de control basada en la detección de cruce por cero (ZCD) para lograr la operación QSW.^3,4,6 El concepto principal es que después de recibir la señal ZCD, el controlador extiende el tiempo de conducción del interruptor rectificador síncrono (SR) para lograr la conmutación de voltaje cero (ZVS) del interruptor activo. El controlador digital calcula el tiempo de encendido extendido en función de la información de voltaje y corriente de entrada y salida promediada. Sin embargo, la necesidad de una detección de corriente rápida y precisa o ZCD hace que este método sea muy difícil, especialmente cuando la frecuencia de conmutación abarca varios MHz. Este método de control es difícil incluso si el sistema requiere intercalado multifase.

Otro método de control más se basa en la modulación de ancho de pulso (PWM) de frecuencia variable.⁷ Este método utiliza el núcleo de control de corriente promedio tradicional del CCM boost PFC. La innovación aquí es la capacidad de cambiar la frecuencia de la señal portadora triangular en función de la tensión de entrada y salida detectada y la información actual. Cambiar la frecuencia de la portadora triangular cambiará la frecuencia de conmutación. El lazo de control de corriente promedio determina el ciclo de trabajo. El concepto clave de este método de control es que para la operación QSW, el ciclo de trabajo y la frecuencia portadora PWM son dos grados de libertad independientes. Este método elimina la necesidad de detección de corriente rápida o pasos ZCD. Dado que las portadoras PWM siempre son síncronas, el intercalado multifase se puede lograr fácilmente con PWM de frecuencia variable.

Tabla I: Comparación de rendimiento del rectificador GaN PFC (Fuente: Universidad de Texas en Austin)

Rendimiento de los PFC de GaN

Los rectificadores GaN PFC ya han tenido éxito en la academia y la industria. La Tabla I resume los logros de varias instituciones y empresas. Por lo general, se pueden lograr eficiencias máximas del 99 %, un nuevo máximo para las fuentes de alimentación conmutadas PFC. Este rendimiento eficiente lleva la eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas PFC a un nuevo nivel. Algunas soluciones pueden alcanzar eficiencias máximas de hasta el 99,2 %. Las frecuencias más bajas generalmente dan como resultado una mayor eficiencia y una menor densidad.

Otra ventaja de rendimiento de eficiencia de los PFC de GaN de CCM es que CCM es superior a QSW en la reducción de los valores de corriente RMS, especialmente AC RMS de alta frecuencia, por lo que la eficiencia de carga pesada de la topología no es mucho más baja que su eficiencia máxima. Los rectificadores QSW GaN PFC suelen tener frecuencias de conmutación mucho más altas, lo que da como resultado una mayor densidad de potencia, pero la caída de la eficiencia de los valores de pico a carga pesada es más pronunciada para QSW que para CCM.

Los PFC de GaN multinivel son una solución atractiva para lograr una mayor eficiencia y densidad.^12,13 La operación multinivel reduce los voltios del inductor y aumenta la frecuencia operativa equivalente, lo que reduce significativamente el tamaño del inductor. El tamaño de otros componentes pasivos también se reduce. La operación de CCM y la ondulación de corriente baja también conducen a pérdidas de conducción reducidas, especialmente para la conducción de corriente CA de alta frecuencia. El voltaje de conmutación bajo también es un factor para reducir la pérdida de conmutación.

Conclusión

Los diseñadores de electrónica de potencia pueden lograr bajas pérdidas de conmutación y cero pérdidas de recuperación inversa con FET de GaN de 650 V.Entre las topologías descritas en Figura 1, los rectificadores PFC de tótem de GaN tienen la menor cantidad de interruptores y muestran un comportamiento simétrico entre los interruptores, lo que maximiza la utilización del dispositivo y del inductor. Los PFC de tótem de GaN pueden lograr eficiencias máximas del 99 % a través de la operación CCM o QSW. La operación QSW elimina las pérdidas de encendido, que son la porción dominante de las pérdidas de conmutación totales. Por lo tanto, QSW produce frecuencias de conmutación mucho más altas y densidades de potencia más altas en comparación con la operación CCM. El desafío del control ZVS de frecuencia variable de la operación QSW se puede resolver mediante el uso de PWM de frecuencia variable, que reemplaza la portadora de frecuencia fija de PWM tradicional con una portadora de frecuencia variable. Este enfoque PWM elimina la detección de corriente rápida o ZCD y resuelve el problema del control intercalado multifásico de frecuencia variable. Las técnicas multinivel se pueden aplicar a los PFC de GaN para lograr una alta eficiencia y una alta densidad en la operación de CCM.

Referencias

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¹²S. Qin, Y. Lei, Z. Ye, D. Chou, RCN Pilawa-Podgurski. Front-end de corrección del factor de potencia de alta densidad de potencia basado en un convertidor multinivel de condensador flotante de 7 niveles. Revista IEEE de temas emergentes y seleccionados en electrónica de potencia, Vol. 7, No. 3, 1883–1898. septiembre de 2019.

¹³Conversión de energía eficiente.Cómo diseñar un rectificador de 400 V con corrección del factor de potencia (PFC) de rango de voltaje de entrada universal de 2,5 kW y alta eficiencia usando 200 V eGaN^® FET. How2AppNote 016. 2020. https://bit.ly/32mrDec.

Qingyun Huang, investigador de la Universidad de Texas en Austin, Qingxuan Ma, investigador graduado de la Universidad de Texas en Austin, Alex Q. Huang, profesor de la Universidad de Texas en Austin.