云镓半导体发布 2kW 双向开关 (GaN BDS) 前置升压 APFC 评估板

云镓半导体

2kW 双向开关 (GaN BDS) 前置升压 APFC 评估板

CG-EVB-BDS-PFC-2KW

1. 双向开关前置升压 APFC 由来
 

双向开关前置升压 APFC 是无桥 APFC 拓扑中的一种，从拓扑结构上来说实际就是Boost 电路的变形，只是交流输入的正负半周各自对应不同的电路，此拓扑省去了整流桥的应用。

2. Boost 型 APFC 和双向开关前置升压 APFC 的工作对比

下表所示为 Boost APFC 和双向开关前置升压 APFC 的工作对比。

 

交流输入	开关管状态	Boost 型 APFC	双向开关前置升压 APFC
正半周	ON
	OFF
负半周	ON
	OFF

 

接下来，让我们比较一下两种APFC电路在拓扑和能耗上面的差异。

 

正弦波	开关管状态	双向开关前置升压 APFC	Boost 型 APFC
正半周	ON	双向开关	开关管
	OFF	高频桥臂中续流二极管x1     低频桥臂中整流二极管x1	整流桥中整流二极管x2     高频续流二极管x1
负半周	ON	双向开关	开关管
	OFF	高频桥臂中续流二极管x1     低频桥臂中整流二极管x1	整流桥中整流二极管x2     高频续流二极管x1

 

在功率器件上，双向开关前置升压 APFC 会减少一个整流二极管的损耗，因此在效率上会有所提升。

除此之外，传统的拓扑多使用 Si SJ-MOS 背靠背串联来形成双向器件，GaN BDS 的出现可以大大降低元器件的成本：无需工艺调整和 MASK 变动，通过合并漂移区和漏极及双栅控制，即可实现单片集成的氮化镓双向器件（Monolithic Bi-Directional Switch, MBDS），从而有效降低芯片面积和成本，如下图器件结构所示。GaN 的双向器件极具性能和成本优势（相较于 Si/SiC 解决方案，使用 GaN BDS 方案的系统具备更少的元件数量、更小的占板面积以及更有竞争力的系统成本）。

 

图 1  GaN 双向器件结构图和 TOLT 封装效果图

 

基于GaN BDS器件，如下左图基于传统 Si-SJ MOS 的拓扑可以演变成如下右图所示。使用 GaN BDS，开关器件的数量和成本能显著降低。

 

图 2 (左) 基于 Si MOS 的双向开关前置升压 PFC；(右) 基于 GaN BDS 的前置升压 PFC

 

3. 云镓双向开关前置升压 APFC DEMO (CG-EVB-BDS-PFC-2KW)

下图为云镓半导体自主设计的双向开关前置升压 APFC 的电路图。

基于GaN BDS 的前置升压 APFC 背面 (左) 和正面 (右)，结构紧凑，尺寸小巧

基于 GaN 双向开关的前置升压 APFC 主功率电路图

GaN BDS 双向器件及其配套驱动电路

GaN BDS 双向器件驱动的隔离供电方案

 

下图所示为实物照片，本评估板使用云镓自主研发的 GaN BDS 双向开关器件 CGK65090TBD，具体信息可登录云镓半导体官网下载规格书。

 

图 3 云镓双向开关前置升压 APFC 实物照片

 

部分测试波形和数据如下表所示：

输入：230V/50Hz；开关频率：65kHz；输出：400V/2kW     环温25℃，无外部其他辅助散热，无外壳，满载工作半小时后开始测试
编号	名称	测试波形
1	交流输入
	实测 APF≈0.995，THDi≈3%
2	直流输出
	实测直流输出电压 395.8V，粗估纹波电压率大致在 6% 左右。
3	温度测试
	最高温度不到 75℃