GaN 開關(guān)集成如何在 PFC 中實現(xiàn)低 THD 和高效率

為了在輕負(fù)載下改善功率因數(shù)校正 (PFC) 并達(dá)到峰值效率，同時縮減無源器件，需要用到符合成本效益的解決方案，而這一需求在使用常規(guī)連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 控制的情況下變得越來越困難。

工程師們正在對復(fù)雜多模解決方案進(jìn)行大量研究，以求解決這些問題，實現(xiàn)在縮減電感器尺寸的同時，在較輕的負(fù)載下利用軟開關(guān)提高效率。

本期電源設(shè)計小貼士中，我們將介紹一種實現(xiàn)高效率和低總諧波失真 (THD) 的新方法，此方法不需要使用復(fù)雜的多模式控制算法，可在所有工作條件下實現(xiàn)零開關(guān)損耗。此方法采用高性能氮化鎵 (GaN) 開關(guān)，它具有一個集成標(biāo)志，用于指示開關(guān)是否通過零電壓開關(guān) (ZVS) 導(dǎo)通。這種方法可在所有工作條件下實現(xiàn)高效率 ZVS，同時強(qiáng)制 THD 處于非常低的水平。

拓?fù)?/strong>

該系統(tǒng)所使用的拓?fù)錇榉e分三角電流模式 (iTCM) 圖騰柱 PFC。對于高功率和高效率系統(tǒng)來說，圖騰柱 PFC 在導(dǎo)通損耗方面具有明顯的優(yōu)勢。此拓?fù)涞?TCM 版本會確保電感器電流在開關(guān)導(dǎo)通之前始終為足夠的負(fù)值，以此強(qiáng)制進(jìn)行 ZVS。圖 1 展示了 iTCM 版本的圖騰柱 PFC。

圖 1. iTCM 拓?fù)?，其中顯示了交流線路頻率電流包絡(luò)

TCM 轉(zhuǎn)換器和 iTCM 轉(zhuǎn)換器之間的區(qū)別在于存在 Lb1、Lb2 和 Cb。在正常工作期間，Cb 上的電壓等于輸入電壓 Vac。以 180 度異相運(yùn)行的兩相會利用紋波電流消除，并降低 Cb 中的均方根電流應(yīng)力。Lb1 和 Lb2 的大小設(shè)定為僅處理 TCM 運(yùn)行所必需的高頻交流紋波電流。這可以消除 TCM 中使用的電感器所需的直流偏置。

在存在 ZVS 所必需的高磁通擺幅的情況下，Lb1 和 Lb2 的鐵氧體磁芯有助于確保低損耗。Lg1 和 Lg2 的值大于 Lb1 和 Lb2（高達(dá) 10 倍），可防止大部分高頻電流流入輸入源，進(jìn)而降低電磁干擾 (EMI)。此外，由于 Lg1 和 Lg2 中的紋波電流較低，因此可以使用成本更低的磁芯材料。圖 1 還展示了多個關(guān)鍵分支的紋波電流包絡(luò)。

控制

控制由德州儀器 (TI) TMS320F280049C 微控制器和 LMG3526R030 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 來實現(xiàn)。這些 FET 具有集成式零電壓檢測 (ZVD) 信號，每次開關(guān)通過 ZVS 導(dǎo)通時，此信號都會置為有效。微控制器使用 ZVD 信息來調(diào)整開關(guān)時序參數(shù)，從而以剛好足夠?qū)崿F(xiàn) ZVS 的電流來導(dǎo)通開關(guān)。

為簡單起見，圖 2 展示了一個單相 iTCM PFC 轉(zhuǎn)換器。表 1 定義了此圖中使用的關(guān)鍵變量。微控制器會使用一種算法來為系統(tǒng)求解精確的微分方程組。這些方程使用的條件會在兩個開關(guān)上強(qiáng)制執(zhí)行 ZVS，并強(qiáng)制電流等于電流命令。只要系統(tǒng)以適合兩個開關(guān)的正確 ZVS 量運(yùn)行，這些方程就是準(zhǔn)確的。

當(dāng)正確運(yùn)行時，算法會得出 0% THD 的時序參數(shù)和最優(yōu) ZVS 量。為了實現(xiàn) ZVS 條件，每個開關(guān)（S1 和 S2）會逐周期向微控制器報告各自的 ZVS 導(dǎo)通狀態(tài)。在圖 2 中，Vhs,zvd 和 Vls,zvd 表示 ZVD 報告。

圖 2. 具有控制信號的單相 iTCM 原理圖

表 1. 開關(guān)時序參數(shù)和定義

圖 3 說明了 ZVD 時序調(diào)整過程。在每個開關(guān)周期中，微控制器會根據(jù) ZVD 信號的累積歷史記錄計算開關(guān)時序參數(shù)（ton、toff、trp 和 trv）。

圖 3b 顯示系統(tǒng)正以理想頻率運(yùn)行。理想情況下，即當(dāng) THD 為 0%時，高側(cè)和低側(cè) FET 會達(dá)到完美的 ZVS 量。圖 3a 顯示了當(dāng)工作頻率比理想頻率低 50kHz 時會發(fā)生什么。

請注意，高側(cè) FET 會失去 ZVS（如高側(cè) ZVD 信號損耗所示），而低側(cè) FET 的負(fù)電流則大于實現(xiàn) ZVS 所必需的值。結(jié)果會導(dǎo)致效率損失和功率因數(shù)失真。

圖 3c 會在工作頻率比理想值高 50kHz 時會出現(xiàn)。在這種情況下，高側(cè) FET 具有 ZVS，但低側(cè) FET 失去 ZVS。同樣，也會存在明顯的效率損失和失真。

圖 3. 低 fs (a)、理想 fs (b) 和高 fs (c) 下的 ZVD 行為

根據(jù)是否存在 ZVD 信號，控制器可以增加或降低將系統(tǒng)推至最佳工作點的頻率。這樣一來，控制活動相當(dāng)于一個嘗試找到最佳工作頻率的積分器。當(dāng)系統(tǒng)在每個周期徘徊在勉強(qiáng)實現(xiàn) ZVS 的臨界狀態(tài)時，就會達(dá)到最優(yōu)狀況。

原型性能

圖 4 展示了一個使用前述拓?fù)浜退惴?gòu)建的原型。

圖 4. 功率密度為 120W/in3 的 400V 5kW 原型

表 2 概述了該原型的規(guī)格和重要元件值。

表 2. 系統(tǒng)規(guī)格和重要元件

圖 5 顯示了該原型的測量節(jié)點，圖 6 展示了該原型在全功率 (5kW) 下運(yùn)行時的系統(tǒng)波形。開關(guān)節(jié)點電流 IL,A 和 IL,B 是其各自分支的 Lg 和 Lb 中的電流之和。

圖中的放大部分顯示了正半周期內(nèi)的波形細(xì)節(jié)。電流波形為理想的三角形，具有剛好足夠?qū)崿F(xiàn) ZVS 的負(fù)電流，如開關(guān)節(jié)點電壓 VA 和 VB 所示。此外，電流波形的正弦包絡(luò)表明 THD 較低。

圖 5. 原型測量節(jié)點

圖 6. 在全功率下（Vin = Vout/2，負(fù)載 = 5kW，Vin = 230Vac，Vout = 400V）運(yùn)行的原型的系統(tǒng)波形

圖 7 顯示了在整個負(fù)載范圍內(nèi)測得的效率和 THD。效率峰值達(dá)到 99% 以上，幾乎在整個負(fù)載范圍內(nèi)都高于 98.5%。THD 最大值為 10%，在大多數(shù)負(fù)載范圍內(nèi)都低于 5%。為了優(yōu)化性能，單位相以大約 2kW 的功率減相或增相。

圖 7. 整個負(fù)載范圍內(nèi)的原型效率和 THD

實現(xiàn)圖騰柱 PFC 的高效率和低 THD

您可以使用 ZVD 信號來控制圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器的工作頻率，從而實現(xiàn)高效率和低THD。

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