Leistungsfaktor-Korrektur

Brückenlose PFC-Schaltung mit GaN

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Die Rollen der beiden GaN-Bausteine vertauschen sich, wenn sich die Polarität des Eingangswechselstroms ändert, daher muss jeder Transistor in der Lage sein, sowohl die Master- als auch die Slave-Funktion zu übernehmen. Um einen Shoot-Through-Zustand zu vermeiden, ist eine Totzeit zwischen den beiden Schaltvorgängen vorgesehen, in der beide Transistoren kurzzeitig sperren. Um CCM-Betrieb zu ermöglichen, muss die Body-Diode des Slave-Transistors als Freilaufdiode fungieren, damit der Spulenstrom während der Totzeit fließen kann.

Der Diodenstrom muss allerdings schnell auf null zurückgehen und in den Rückwärts-Sperrzustand übergehen, sobald der Master-Transistor schaltet. Dies ist der kritische Vorgang bei einer Totem-Pole-PFC-Schaltung, die früher mit abnormalen Spitzen, Instabilitäten und den damit verbundenen hohen Schaltverlusten aufgrund der hohen Speicherladung der Body-Diode in modernen Si-Hochspannungs-MOSFETs verbunden war. Die geringe Speicherladung der GaN-Transistoren ermöglicht es, dieses Hindernis zu überwinden.

Der Leistungsfaktor als Funktion der Ausgangsleistung ist in Bild 4 gezeigt. Ein Spitzen-Wirkungsgrad von 99,0% wird bei 400 W erreicht, während der Gesamtwirkungsgrad zwischen 180 W und 1 kW bei über 98,6% liegt. Der Wirkungsgrad berechnet sich als das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung. Die Eingangsleistung ist die Summe aus Ausgangsleistung und Verlustleistung.

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Der Ausgang der oben beschriebenen Totem-Pole-PFC-Schaltung liefert eine ungeregelte Gleichspannung. In diesem Fall wird ein resonanter LLC-Umrichter zur Erzeugung der geregelten Ausgangsgleichspannung verwendet. Die LLC-Topologie ist aufgrund ihrer Eignung für den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen beliebt zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte ohne den Nachteil hoher Verlustleistungen, was sich aufgrund des weichen Schaltens sowohl der primär- als auch auf der sekundärseitigen Bauelemente ergibt. Eine Beschränkung konventioneller LLC-Schaltungen mit Si-MOSFETs ist allerdings der Kompromiss zwischen Totzeit und Magnetisierungsstrom (Bild 5).

Totzeit und Magnetisierungsstrom dienen zur Entladung der Ausgangskapazität (Coss) der MOSFETs, um ein Schalten im Nulldurchgang (ZVS) zu erreichen. Die formelhafte Beziehung zwischen Coss und diesen Parametern ist IM * td dividiert durch 2*Vin.

Die Kapazität Coss in dieser Gleichung entspricht der Parallelschaltung aus Drain-Source-Kapazität (CDS) und Gate-Drain-Kapazität (CGD). Eine weitere Angabe, die man häufig in MOSFET-Datenblättern findet, ist die Kapazität CO(tr), die als diejenige feste Kapazität definiert ist, die die gleiche Ladezeit wie Coss bewirkt, während VDS von 0 bis auf 80% der Drain-Source-Durchbruchspannung ansteigt. Da in dieser Gleichung angenommen wird, dass IM während der Totzeit konstant ist und die Ausgangskapazität als Stromquelle entlädt, sollte CO(tr) zur Darstellung des Wertes von Coss verwendet werden. Es ist belegt, dass GaN-Bauelemente im Vergleich zu Silizium-Superjunction-Bauelementen mit ähnlichem On-Widerstand eine um 60% geringere Ausgangskapazität aufweisen.

Unter Verwendung von 600-V-GaN-auf-Si-HEMTs der ersten Generation von Transphorm wurde mit einem Prototypen einer LLC-Schaltung (200 KHz, 240 W, 390/12 V) ein Umwandlungswirkungsgrad von 97,2% erreicht (Bild 6). Durch weitere Verfeinerungen wird eine Verbesserung dieses Wertes auf 97,5% und höher erwartet.

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