基于Transphorm GaN FET的4kW圖騰柱PFC電源評估板

電能是現(xiàn)代社會運(yùn)行的能量基礎(chǔ)，電能通過電源設(shè)備進(jìn)行規(guī)格轉(zhuǎn)換，將符合要求的電能輸送給用電設(shè)備。在電源設(shè)備轉(zhuǎn)換電能的過程中，會產(chǎn)生能量損耗。電源作為電能與用電設(shè)備的接口無處不在，任何一點(diǎn)的損耗都會被極度放大，無論從成本角度還是從環(huán)境保護(hù)的角度，我們都不能忽視這些損耗，于是降低損耗，提高電源效率就成了科研和工程人員孜孜不倦的追求。

TDTTP4000W066B采用非隔離結(jié)構(gòu)，具有功率因數(shù)校正(PFC)功能，采用圖騰柱拓?fù)洌梢暂敵?kW的功率，并且效率極值宣稱可達(dá)99%。電源板高效率得以實(shí)現(xiàn)，阿主要得益于核心功率器件GaN FET。該器件具有低反向恢復(fù)電荷。通過GaN FET的使用，可以增加電源板功率密度，減小電路系統(tǒng)尺寸和重量，降低系統(tǒng)成本。

TDTTP4000W066B 開箱

外包裝采用白色瓦楞紙包裝盒，表面貼產(chǎn)品簡介貼紙，簡潔實(shí)用。不過從視覺上中規(guī)中矩，如果包裝更精美一些，絕對提高印象分。

打開盒子，可以看到盒子頂部和底部分別有25mm厚的減震海綿。盒子內(nèi)部有防靜電包裝袋密封的電源評估板，快速指導(dǎo)說明書，評估板輔助電源。

評估板主要電性能參數(shù)：

輸入電壓: 85VAC ~ 265VAC, 47Hz ~ 63Hz

輸入電流: 18A(2000W at 115VAC)或(4000W at 230VAC) 10% 短時(shí)過載

環(huán)境溫度 <50?C

輸出電壓: 387VDC ± 5VDC

PWM 頻率: 66kHz

輔助電源12VDC

尺寸：225mmX152mmX85mm

相關(guān)資料

對于TDTTP4000W066B ，Transphorm在其官網(wǎng)上提供了非常詳細(xì)的資料，包括電源板的技術(shù)文檔，設(shè)計(jì)文件和BOM(元器件明細(xì))。

硬件介紹

打開防靜電包裝袋，取出電源板。作為功率4kW的電源，它的尺寸著實(shí)驚到了筆者，因此筆者特地去幾家大型電子器件網(wǎng)站查了相關(guān)電源類產(chǎn)品，同功率等級電源產(chǎn)品極少，只找到一款，且體積比此電源板大的多。下圖是電源評估板和紅米5 PLUS的對比?？梢?，該電源板功率密度是極高的。

電源板的元器件絕大多數(shù)放置在電路板正面，從下圖中可以看到元器件并不是很擁擠，能明顯的看到元器件之間的間隔。大部分空間被電感、電容占據(jù)。電路板的背面，有少量元器件，主要有9個(gè)尼龍支柱，便于電源板的放置。

輔助電源12VDC，給控制卡和散熱風(fēng)扇供電。

控制卡采用TI的TMDSCNCD28335，該卡控制核心基于TMS320F28335芯片，可以單獨(dú)購買。控制卡插入卡槽，并用卡子卡住用來防震。

如下圖所示，4kW的功率是通過兩個(gè)GaN FET和兩個(gè)MOSFET輸出，GaN FET和MOSFET與一白色墊塊接觸，白色墊塊與散熱器接觸，接觸面涂導(dǎo)熱硅脂。GaN FET通過螺釘緊固，MOSFET通過夾子夾緊。資料中無白色墊塊介紹，筆者認(rèn)為白色墊塊是某種散熱材料，用在這里適配FET與散熱器之間的距離。散熱通過兩個(gè)風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷一塊小小的散熱器完成。[!--empirenews.page--]

需要著重介紹一下GaN FET，作為電路核心功率器件，本電源板使用的是Transphorm公司的TP65HO35WS 650V、35 mΩ。該器件結(jié)合了先進(jìn)的高電壓 GaN HEMT 和低電壓硅 MOSFET 技術(shù)，具有出色的可靠性和性能。TP65HO35WS通過更低的柵極電荷、更低的交越損耗和更小的反向恢復(fù)電荷Qrr，提升了硅器件的效率。TP65H035WS封裝為TO-247，封裝形式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見下圖。

TP65H035WS關(guān)鍵參數(shù)見下表

TP65H035WS應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見下表

電源板采用圖騰柱式無橋PFC拓?fù)?，相比傳統(tǒng)的Dual-boost效率更高，成本更低。傳統(tǒng)拓?fù)湫枰?個(gè)MOSFET，2個(gè)電感，2個(gè)碳化硅二極管(D1,D2)。采用GaN FET的圖騰柱無橋PFC只要一個(gè)電感，2個(gè)GaN FET,另D1,D2可以用二極管或等同內(nèi)阻的MOSFET以實(shí)現(xiàn)更高效率。

圖騰柱式無橋PFC拓?fù)渲校珿aN FET Q1、Q2組成高頻支路，工作在66kHz頻率下。MOSFET S1、S2組成低頻支路，工作在工頻(50/60Hz)。在輸入電壓正半周期，S1開通，S2關(guān)斷。此時(shí)，高頻支路有兩個(gè)模態(tài)：Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，外部電源給電感L充電，電容負(fù)責(zé)為負(fù)載供電，電流走向見下圖。當(dāng)Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，外部電源和電感共同給負(fù)載和電容供電。在輸入電壓負(fù)半周期，S2開通，S1關(guān)斷，同理，高頻支路同樣有兩個(gè)模態(tài)。在Q1，Q2開關(guān)切換的死區(qū)時(shí)間，電感電流方向不變，通過GaN FET的體二極管續(xù)流。

最終,電能在電源板中的路徑如下圖藍(lán)色箭頭所示。

電源評估板上電測試

測試環(huán)境：輸入使用10KW自耦調(diào)壓器，輸出負(fù)載使用純阻性大功率電阻箱，輸入輸出分別使用電壓表電流表監(jiān)控，溫度使用熱像儀監(jiān)測。

注意，先上控制電，再上功率電;先斷功率電，再斷控制電。

電源板上電實(shí)測前，截了一張非PFC校正的電壓電流波形，作為參照。如下圖所示，電流波形畸變嚴(yán)重，含有大量的高次諧波，電能損耗很大，對電網(wǎng)也是嚴(yán)重污染。

經(jīng)過電源板進(jìn)行PFC校正后，電壓電流波形，如下圖所示。從圖中可以看出，經(jīng)過PFC校正后的電流波形與電壓波形基本一致，在負(fù)半周期向正半周期轉(zhuǎn)變的過零點(diǎn)，兩波形重合，在一個(gè)周期內(nèi)，電流波形稍稍超前電壓波形。

校正前后，波形對比非常明顯。

下面是實(shí)際的一些測試結(jié)果，其中在230V中載的時(shí)候效率高達(dá)恐怖的99%。

230V滿載測試情況：

230V中載測試情況：

TDTTP4000W066B電源板實(shí)際測試效率計(jì)算如下表：

從上表我們可以看出，輸出電壓還是非常穩(wěn)定，高效區(qū)比較寬，我們在測試的過程中發(fā)現(xiàn)多數(shù)效率都在98.5%以上，并且實(shí)測部分在230V輸入電壓時(shí)中載時(shí)刻最高的效率接近99%。同時(shí)也由于測試環(huán)境、測試條件的限制，還是沒能測到官方的最高效率值，有些遺憾。但即便是現(xiàn)在所測的效率，也是絕對有競爭力的。目前來看，該電源板是在售同功率等級產(chǎn)品中效率最高的。筆者的測試，模擬負(fù)載過程接近于實(shí)際工況，所測參數(shù)對終端客戶具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

小結(jié)

高效的意義，不僅僅是節(jié)約了電能，節(jié)省電費(fèi)開支。高效率還對應(yīng)著低損耗，散熱少，整體電源系統(tǒng)在熱設(shè)計(jì)上的壓力就會減少，結(jié)構(gòu)隨即減小，重量降低，電源的設(shè)計(jì)和制造成本就會減少，產(chǎn)品會更有競爭力。Transphorm 的TDTTP4000W066B電源評估板很好的體現(xiàn)了上述意義。設(shè)計(jì)清晰明了，控制部分是德州的DSP，主電路結(jié)構(gòu)為圖騰柱式無橋PFC。4000W功率的PFC電感直徑達(dá)到了70mm。主控管使用了氮化鎵，氮化鎵沒有反向恢復(fù)問題，效率高，開關(guān)速度快。

從該電源評估板的電壓輸入和輸出，功率輸出來看，筆者推測該電源板的設(shè)計(jì)標(biāo)的極有可能是電動汽車充電器。隨著電動汽車越來越普及，該電源板的大功率高效特性必定可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。