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℃
