交流/直流電源因數校正(PFC)整流器從GaN FET中受益匪淺。它們具有非常簡單的拓撲結構;電感器是唯一的磁性部件，通常是一個恒頻連續導通模式(CCM)電感器。GaN FET對PFC整流器性能的影響可以直接展示出來。

　　650V GaN FET的較低寄生電容減少了開關損耗。此外，與650V硅mosfet相比，650V GaN FET在相同芯片尺寸下具有較低的導通電阻(Ron)，并且GaN FET消除了反向恢復損耗。使用GaN FET可將開關電源的峰值效率提高到99%。盡管GaN的成本仍然是廣泛行業采用的障礙，但GaN FET實現的性能，包括效率和密度的提升，最終對開關電源解決方案的總成本產生積極影響。本文詳細探討了基于GaN的PFC整流器，回顧了GaN無橋PFC拓撲結構、控制和性能。

　　GaN PFC拓撲結構

　　傳統的升壓PFC只使用一個有源開關，通常是一個650V的超結硅MOSFET。大多數傳統的開關電源今天使用升壓PFC，利用其簡單、低成本和可靠性。雖然用650V GaN FET替換650V硅MOSFET可以減少開關損耗，但這種效率提升并不顯著——通常只有0.1%到0.15%。然而，用另一個650V GaN FET替換快速恢復二極管將顯著降低損耗，因為低Ron FET消除了二極管導通損耗，并且GaN FET消除了反向恢復損耗。這種變化可以提供約0.25%的效率提升。

　　由于二極管橋的龐大導通損耗是另一個主要的開關損耗來源。用低Ron硅MOSFET替換二極管橋可以提高約0.4%的效率。二極管橋還可以用包含二極管橋和硅MOSFET的混合器件結構替換?；旌掀骷梢栽诘统杀鞠聹p少從輕負載到重負載的導通損耗。

　　雙升壓無橋PFC是開關電源中使用的另一種流行拓撲結構。同樣，可以用650V GaN FET替換硅MOSFET，以獲得約0.1%到0.15%的效率提升，并且替換快速恢復二極管可以再獲得約0.25%的效率提升。最后，用低Ron硅MOSFET或混合MOSFET替換低頻二極管可以再提高約0.25%的效率。然而，具有兩個交替升壓相位的雙升壓PFC對器件和電感器的利用率較低。

　　GaN圖騰柱PFC拓撲結構只有兩個GaN FET、兩個硅MOSFET(或混合開關)和一個電感器。該拓撲結構比無橋升壓PFC和雙升壓PFC使用更少的器件，并實現了更好的器件和電感器利用率。與雙升壓PFC相比，圖騰柱PFC的效率和密度也稍高，成本更低。

　　GaN PFC控制

　　GaN PFC控制可以根據以下調制策略總結：連續導通模式(CCM)、臨界導通模式(CRM)和準方波模式(QSW)。對于CCM，開關頻率是恒定的，高開關損耗導致相對較低的開關頻率;傳統的平均電流控制，通常用于升壓PFC，可以在這種情況下用于GaN PFC。對于CRM，傳統的峰值電流控制和恒定導通時間控制也可以用于升壓PFC。傳統的CRM控制還集成了不連續導通模式(DCM)控制，可以限制峰值開關頻率。

　　由于消除了導通損耗，QSW模式的操作和控制通常在GaN PFC中討論，這導致了更高的開關頻率，可以減小轉換器的尺寸。為了實現QSW操作，基于零交叉檢測(ZCD)的控制策略已經被討論。主要概念是，在接收到ZCD信號后，控制器將延長同步整流器(SR)開關的導通時間，以實現有源開關的零電壓開關(ZVS)。數字控制器基于平均輸入和輸出電壓和電流信息來計算延長的導通時間。然而，這種方法非常具有挑戰性，因為需要快速和精確的電流檢測或ZCD，尤其是在開關頻率擴展到幾MHz時。當系統中需要多相交錯時，這種控制方法甚至更具挑戰性。

　　另一種控制方法是基于可變頻率脈寬調制(PWM)。這種方法使用傳統平均電流控制的核心部分用于CCM升壓PFC。這里的創新在于可以根據檢測到的輸入和輸出電壓和電流信息改變三角載波信號的頻率。改變三角載波頻率會改變開關頻率。平均電流控制環決定占空比。這種控制方法的關鍵概念是，對于QSW操作，占空比和PWM載波頻率是兩個獨立的自由度。這種方法消除了高速電流檢測或ZCD步驟。由于PWM載波始終同步，可變頻率PWM可以很容易地實現多相交錯。

　　GaN PFC性能

　　GaN PFC整流器在學術界和工業界已經展示了成功的應用。表I總結了各機構和公司實現的性能。一般來說，99%的峰值效率——開關電源PFC的新高——可以實現。這種效率性能將開關電源PFC的效率提升到了一個新水平。一些解決方案可以實現高達99.2%的峰值效率。通常，較低頻率犧牲了較高效率，導致較低的密度。

　　CCM GaN PFC的另一個效率性能優勢是，該拓撲結構的重載效率不會顯著低于其峰值效率，因為CCM在減少RMS電流值方面優于QSW，尤其是高頻交流RMS。QSW GaN PFC整流器通常具有更高的功率密度，因為它們的開關頻率高得多，但從峰值到重載值的效率下降比CCM更陡峭。

　　多級GaN PFC是實現效率和密度提升的有吸引力的解決方案。多級操作減少了電感器上的伏秒，并提高了等效操作頻率，從而顯著減少了電感器的尺寸。其他無源元件的尺寸也將減小。CCM操作和低電流波動也導致較低的導通損耗，特別是對于高頻交流電流導通。較低的開關電壓也是減少開關損耗的一個因素。

　　總結

　　電源電子設計師可以通過使用650V GaN FET實現低開關損耗和零反向恢復損耗。在圖1中討論的拓撲結構中，GaN圖騰柱PFC整流器具有最少的開關數，表現出開關之間的對稱操作，并實現了最佳的器件和電感器利用率。GaN圖騰柱PFC可以通過CCM或QSW操作實現99%的峰值效率。

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