【应用】如何使用200V eGaN FET设计2.5kW高效FCML图腾柱无桥PFC整流器
云计算，可穿戴设备，机器学习，自动驾驶和物联网等应用程序的扩展使我们迈向一个更加数据密集的世界的同时，我们对数据中心和功耗的需求不断增加。效率，功率密度和交流-直流开关电源的成本的重要性正在推动创新的解决方案，eGaN FET可以解决这些创新的解决方案，以产生超高效功率因数校正（PFC）前端整流器解决方案，该解决方案致力于如何重点应用说明的方向。
飞跨电容4电平（FCML）图腾柱无桥PFC变换器
常规的2级图腾柱无桥PFC拓扑已成为使用650 V额定电压GaN FET实现高效率的普遍选择，但并未解决主电感器的功率密度和损耗限制。飞跨电容4电平（FCML）图腾柱无桥PFC拓扑是可以利用200 V eGaN FET的替代方案，该FET可以在274VACRMS的最大电网线电压下工作，并利用伏秒电感的降低和倍频可以显着提高功率密度并提供高效解决方案。 FCML图腾柱无桥PFC整流器的电源原理图如图1所示。它的另一个好处是，由于所需的电感较低，因此可将输入电流谐波降至最低失真，即使在最高峰值线路电压下也可以保持开关。
图1 eGaN FET图腾柱PFC整流器原理图
200 V额定电压值的EPC2215用于4级FCML图腾柱PFC转换器
使用多级拓扑的许多好处之一是可以使用较低电压的设备。 在这种4级拓扑中，在图1所示的高频支路中使用了六个级联的高频器件（Q1至Q6）。输出DC电压设置为400 V，因此每个高电平的电压应力频率设备仅为133 V，加上余量，确保200 V设备非常适合此拓扑。与传统的硅器件相比，EPC旗下额定电压200 V的EPC2215 eGaN FET具有8mΩ的RDS（on），如图2所示，具有较低的开关损耗，较低的驱动功耗和零反向恢复，从而提供了一种高效解决方案。
图2. 额定电压200V，8mΩ，EPC2215
图3显示了EPC2215和近匹配MOSFET等效器件的尺寸比较，后者大15倍，消耗的栅极功率将增加6.5倍。此外，与GaN场效应晶体管相比，较高的输出电容也会增加MOSFET的开关损耗。
图3. EPC2215和最匹配的MOSFET的器件尺寸比较，两者的额定电压都是200V
实验验证
构建了一个2.5 kW，飞跨电容4电平（FCML）图腾柱无桥PFC转换器，如图4所示[7]。 实验单元包括多张卡片； 1）带有EMI滤波器，内部电源（housekeeping power supply）和大容量输出电容的主板，2）控制器卡，以及3）GaN FET飞跨电容器多电平转换器卡。
图4 （a）完整的PFC整流器和（b）FCML无桥图腾柱转换卡示意图
图5显示了当转换器在240VACRMS输入电压下工作并向400 VDC负载提供2.5 kW的功率时，测得的输入AC电压，电感器控制良好的电流以及多级开关节点波形。
图5. 将2400 W输入400VDC负载时，电感电流（IL）、交流输入电压（VAC）和开关节点电压（VSW）的测量波形
图6显示了4电平FCML图腾柱GaN FET PFC的总功率效率，最高可达2.5 kW，1.4 kW时的峰值效率为99.25%，从900 W及以上保持在99%以上。
图6. 四电平FCML图腾柱GaN-FET-PFC变换器的功率效率
结论
本文介绍了一种适用于数据中心应用的高效，高功率密度，2.5 kW的基于eGaN FET的飞跨电容4电平图腾柱无桥整流器。采用200V/8mΩ的EPC2215用于高频支路，其转换器在900 W至2.5 kW的效率超过99％，在1.4 kW时的峰值为99.25％。完整的转换器解决方案具有125 W / in3的功率密度，并包括EMI滤波器，大容量输出电容器，控制器卡和内部电源。 eGaN FET的有利特性使该转换器能够实现高功率密度，超高效率和低谐波失真。
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产品型号
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品类
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Configuration
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VDSmax(V)
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VGSmax(V)
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Max RDS(on) (mΩ)
@ 5 VGS
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QG typ(nC)
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QGS typ (nC)
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QGD typ (nC)
|
QOSS typ (nC)
|
QRR(nC)
|
CISS (pF)
|
COSS (pF)
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CRSS (pF)
|
ID(A)
|
Pulsed ID (A)
|
Max TJ (°C)
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Package(mm)
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Launch Date
|
|
EPC2040
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Enhancement Mode Power Transistor
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Single
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15
|
6
|
30
|
0.745
|
0.23
|
0.14
|
0.42
|
0
|
86
|
67
|
20
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3.4
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28
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150
|
BGA 0.85 x 1.2
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Apr, 2017
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