基于Transphorm GaN FET的4kW图腾柱PFC电源评估板

　　电能是现代社会运行的能量基础，电能通过电源设备进行规格转换，将符合要求的电能输送给用电设备。在电源设备转换电能的过程中，会产生能量损耗。电源作为电能与用电设备的接口无处不在，任何一点的损耗都会被极度放大，无论从成本角度还是从环境保护的角度，我们都不能忽视这些损耗，于是降低损耗，提高电源效率就成了科研和工程人员孜孜不倦的追求。

　　TDTTP4000W066B采用非隔离结构，具有功率因数校正（PFC）功能，采用图腾柱拓扑，可以输出4kW的功率，并且效率极值宣称可达99%。电源板高效率得以实现，阿主要得益于核心功率器件GaN FET。该器件具有低反向恢复电荷。通过GaN FET的使用，可以增加电源板功率密度，减小电路系统尺寸和重量，降低系统成本。

　　TDTTP4000W066B 开箱

　　外包装采用白色瓦楞纸包装盒，表面贴产品简介贴纸，简洁实用。不过从视觉上中规中矩，如果包装更精美一些，绝对提高印象分。

　　打开盒子，可以看到盒子顶部和底部分别有25mm厚的减震海绵。盒子内部有防静电包装袋密封的电源评估板，快速指导说明书，评估板辅助电源。

　　评估板主要电性能参数：

　　输入电压: 85VAC ~ 265VAC, 47Hz ~ 63Hz

　　输入电流: 18A（2000W at 115VAC）或（4000W at 230VAC） 10% 短时过载

　　环境温度 <50?C

　　输出电压: 387VDC ± 5VDC

　　PWM 频率: 66kHz

　　辅助电源12VDC

　　尺寸：225mmX152mmX85mm

　　相关资料

　　对于TDTTP4000W066B ，Transphorm在其官网上提供了非常详细的资料，包括电源板的技术文档，设计文件和BOM（元器件明细）。

　　硬件介绍

　　打开防静电包装袋，取出电源板。作为功率4kW的电源，它的尺寸着实惊到了笔者，因此笔者特地去几家大型电子器件网站查了相关电源类产品，同功率等级电源产品极少，只找到一款，且体积比此电源板大的多。下图是电源评估板和红米5 PLUS的对比。可见，该电源板功率密度是极高的。

　　电源板的元器件绝大多数放置在电路板正面，从下图中可以看到元器件并不是很拥挤，能明显的看到元器件之间的间隔。大部分空间被电感、电容占据。电路板的背面，有少量元器件，主要有9个尼龙支柱，便于电源板的放置。

　　辅助电源12VDC，给控制卡和散热风扇供电。

　　控制卡采用TI的TMDSCNCD28335，该卡控制核心基于TMS320F28335芯片，可以单独购买。控制卡插入卡槽，并用卡子卡住用来防震。

　　如下图所示，4kW的功率是通过两个GaN FET和两个MOSFET输出，GaN FET和MOSFET与一白色垫块接触，白色垫块与散热器接触，接触面涂导热硅脂。GaN FET通过螺钉紧固，MOSFET通过夹子夹紧。资料中无白色垫块介绍，笔者认为白色垫块是某种散热材料，用在这里适配FET与散热器之间的距离。散热通过两个风扇强制风冷一块小小的散热器完成。

    需要着重介绍一下GaN FET，作为电路核心功率器件，本电源板使用的是Transphorm公司的TP65HO35WS 650V、35 mΩ。该器件结合了先进的高电压 GaN HEMT 和低电压硅 MOSFET 技术，具有出色的可靠性和性能。TP65HO35WS通过更低的栅极电荷、更低的交越损耗和更小的反向恢复电荷Qrr，提升了硅器件的效率。TP65H035WS封装为TO-247，封装形式和内部结构见下图。

　　TP65H035WS关键参数见下表

　　TP65H035WS应用拓扑结构见下表

　　电源板采用图腾柱式无桥PFC拓扑，相比传统的Dual-boost效率更高，成本更低。传统拓扑需要2个MOSFET，2个电感，2个碳化硅二极管（D1,D2)。采用GaN FET的图腾柱无桥PFC只要一个电感，2个GaN FET,另D1,D2可以用二极管或等同内阻的MOSFET以实现更高效率。

　　图腾柱式无桥PFC拓扑中，GaN FET Q1、Q2组成高频支路，工作在66kHz频率下。MOSFET S1、S2组成低频支路，工作在工频（50/60Hz）。在输入电压正半周期，S1开通，S2关断。此时，高频支路有两个模态：Q1导通，Q2关断，外部电源给电感L充电，电容负责为负载供电，电流走向见下图。当Q1关断，Q2导通时，外部电源和电感共同给负载和电容供电。在输入电压负半周期，S2开通，S1关断，同理，高频支路同样有两个模态。在Q1，Q2开关切换的死区时间，电感电流方向不变，通过GaN FET的体二极管续流。

　　最终,电能在电源板中的路径如下图蓝色箭头所示。

　　电源评估板上电测试

　　测试环境：输入使用10KW自耦调压器，输出负载使用纯阻性大功率电阻箱，输入输出分别使用电压表电流表监控，温度使用热像仪监测。

　　注意，先上控制电，再上功率电；先断功率电，再断控制电。

　　电源板上电实测前，截了一张非PFC校正的电压电流波形，作为参照。如下图所示，电流波形畸变严重，含有大量的高次谐波，电能损耗很大，对电网也是严重污染。

　　经过电源板进行PFC校正后，电压电流波形，如下图所示。从图中可以看出，经过PFC校正后的电流波形与电压波形基本一致，在负半周期向正半周期转变的过零点，两波形重合，在一个周期内，电流波形稍稍超前电压波形。

　　校正前后，波形对比非常明显。

　　下面是实际的一些测试结果，其中在230V中载的时候效率高达恐怖的99%。

　　230V满载测试情况：

　　230V中载测试情况：

　　TDTTP4000W066B电源板实际测试效率计算如下表：

　　从上表我们可以看出，输出电压还是非常稳定，高效区比较宽，我们在测试的过程中发现多数效率都在98.5%以上，并且实测部分在230V输入电压时中载时刻最高的效率接近99%。同时也由于测试环境、测试条件的限制，还是没能测到官方的最高效率值，有些遗憾。但即便是现在所测的效率，也是绝对有竞争力的。目前来看，该电源板是在售同功率等级产品中效率最高的。笔者的测试，模拟负载过程接近于实际工况，所测参数对终端客户具有较强的参考价值。

　　小结

　　高效的意义，不仅仅是节约了电能，节省电费开支。高效率还对应着低损耗，散热少，整体电源系统在热设计上的压力就会减少，结构随即减小，重量降低，电源的设计和制造成本就会减少，产品会更有竞争力。Transphorm 的TDTTP4000W066B电源评估板很好的体现了上述意义。设计清晰明了，控制部分是德州的DSP，主电路结构为图腾柱式无桥PFC。4000W功率的PFC电感直径达到了70mm。主控管使用了氮化镓，氮化镓没有反向恢复问题，效率高，开关速度快。

　　从该电源评估板的电压输入和输出，功率输出来看，笔者推测该电源板的设计标的极有可能是电动汽车充电器。随着电动汽车越来越普及，该电源板的大功率高效特性必定可以产生巨大的经济效益和社会效益。