GaN 开关集成如何实现 PFC 的低 THD 和高效率

[导读]在传统的连续导通模式 (CCM) 控制下，需要一种经济高效的解决方案来改善轻负载下的功率因数校正 (PFC) 并实现峰值效率，同时缩小无源元件，而这变得越来越困难。工程师们正在对复杂的多模式解决方案进行大量研究，以解决这些问题 [1]、[2]，这些方法很有吸引力，因为它们可以缩小电感器的尺寸，同时通过轻负载下的软开关提高效率。

在传统的连续导通模式 (CCM) 控制下，需要一种经济高效的解决方案来改善轻负载下的功率因数校正 (PFC) 并实现峰值效率，同时缩小无源元件，而这变得越来越困难。工程师们正在对复杂的多模式解决方案进行大量研究，以解决这些问题 [1]、[2]，这些方法很有吸引力，因为它们可以缩小电感器的尺寸，同时通过轻负载下的软开关提高效率。

但在本电源技巧中，我将介绍一种实现高效率和低总谐波失真 (THD) 的新方法，该方法不需要使用复杂的多模式控制算法，并且在所有工作条件下均可实现零开关损耗。此方法使用高性能氮化镓 (GaN) 开关，该开关带有一个集成标志，可指示开关是否以零电压开关 (ZVS) 开启。此方法可在所有工作条件下实现高效率 ZVS，同时将 THD 强制降至非常低的水平。

拓扑

该系统使用的拓扑结构是集成三角电流模式 (iTCM) 图腾柱 PFC [3]。对于高功率和高效率系统，图腾柱 PFC 在传导损耗方面具有明显优势。该拓扑的 TCM 版本通过确保电感器电流在开关打开之前始终足够负来强制 ZVS [4]。图 1显示了图腾柱 PFC 的 iTCM 版本。

图 1 iTCM 拓扑，显示交流线频率电流包络。

TCM 转换器和 iTCM 转换器之间的区别在于 L b1、 L b2和 C b的存在。在正常运行期间，C b两端的电压等于输入电压 V ac。两相以 180 度相位差工作，可利用纹波电流抵消并降低 C b中的均方根电流应力。L b1和 L b2的大小仅用于处理 TCM 运行所需的高频交流纹波电流。这消除了 TCM 中使用的电感所需的直流偏置，如 [4] 中定义。L b1和 L b2的铁氧体磁芯有助于确保在 ZVS 所需的高磁通量摆幅下实现低损耗。L g1和 L g2的值比 L b1和 L b2大(大 10 倍)，这可防止大部分高频电流流入输入源，从而降低电磁干扰 (EMI)。此外，L g1和 L g2中纹波电流的降低使得可以使用成本较低的磁芯材料。图 1 还说明了几个关键分支的纹波电流包络。

控制

控制由德州仪器 (TI) TMS320F280049C 微控制器和 LMG3526R030 GaN 场效应晶体管 (FET) 实现。这些 FET 具有集成的零电压检测 (ZVD) 信号，只要开关以 ZVS 开启，该信号就会被置位。微控制器使用 ZVD 信息来调整开关时序参数，以刚好足够的电流开启开关以实现 ZVS。为简单起见，图 2显示了单相 iTCM PFC 转换器。表 1定义了该图中使用的关键变量。微控制器使用一种算法来求解系统的精确微分方程组。这些方程使用在两个开关上强制 ZVS 并强制电流等于电流命令的条件。只要系统以适合两个开关的正确 ZVS 量运行，这些方程就是准确的。正确运行时，该算法可产生 0% THD 和最佳 ZVS 量的时序参数。为了促进 ZVS 条件，每个开关(S 1和 S 2)都会逐周期向微控制器报告其各自的 ZVS 导通状态。在图 2 中，V hs,zvd和 V ls,zvd表示 ZVD 报告。

图 2带有控制信号的单相 iTCM 示意图。

表1开关时序参数及定义。

图 3说明了 ZVD 时序调整过程。在每个开关周期中，微控制器计算开关时序参数(t on、t off、t rp和 t rv) 基于 ZVD 信号的累积历史。图 3b 显示了系统在理想频率下运行的情况。理想情况是指 THD 为 0%，并且高端和低端 FET 具有完美的 ZVS 量。图 3a 显示了当工作频率比理想频率低 50 kHz 时发生的情况。请注意，高端 FET 丢失 ZVS(由高端 ZVD 信号的丢失所示)，而低端 FET 具有比实现 ZVS 所需的更多的负电流。结果是效率损失和功率因数失真。图 3c 发生在工作频率比理想频率高 50 kHz 时。在这种情况下，高端 FET 具有 ZVS，但低端 FET 丢失 ZVS。同样，效率损失和失真明显。

图 3低 f s时的 ZVD 行为(a);理想 f s 时的ZVD 行为(b);以及高 f s时的 ZVD 行为(c)。

根据 ZVD 信号的存在与否，控制器可以增加或减少频率，以将系统推至最佳工作点。这样，控制工作就像一个积分器，试图找到最佳工作频率。当系统徘徊在每个周期刚好获得 ZVS 的阈值上时，就会出现最佳状态。

原型性能

图 4显示了使用我迄今为止讨论的拓扑和算法构建的原型。

图4： 400V、5kW原型，功率密度为120W/ in3。

表 2总结了原型的规格和重要元件值。

表2系统规格及重要组件

图 5说明了原型在满功率 (5 kW) 下运行的系统波形。开关节点电流 I L,A和 I L,B是其各自分支的 L g和 L b中电流的总和。图的缩放部分显示了正半周期内的波形细节。电流波形具有理想的三角形形状，负电流刚好足以实现 ZVS，如开关节点电压 V A和 V B所示。此外，电流波形的正弦包络表明 THD 较低。