GaN 开关集成如何在 PFC 中实现低 THD 和高效率

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时间：2023-03-23 16:04:36

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GaN 开关集成如何在 PFC 中实现低 THD 和高效率对于传统的连续导通模式 (CCM) 控制，需要具有成本效益的解决方案来改善轻负载和峰值效率下的功率因数校正 (PFC)，同

对于传统的连续导通模式 (CCM) 控制，需要具有成本效益的解决方案来改善轻负载和峰值效率下的功率因数校正 (PFC)，同时缩小无源元件，这变得越来越困难。工程师们正在对复杂的多模解决方案进行重要研究，以解决这些问题 [1]、[2]，这些方法很有吸引力，因为它们使您能够缩小电感器的尺寸，同时在较轻负载下通过软开关提高效率。

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，并在所有工作条件下实现零开关损耗。这种方法使用带有集成标志的高性能氮化镓 (GaN) 开关，该标志指示开关是否以零电压开关 (ZVS) 开启。这种方法可在所有工作条件下实现高效 ZVS，同时将 THD 压得非常低。

拓扑结构

该系统使用的拓扑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。此拓扑的 TCM 版本通过确保电感器电流在开关导通之前始终足够负来强制执行 ZVS [4]。图 1说明了图腾柱 PFC 的 iTCM 版本。

图 1 iTCM 拓扑，显示交流线路频率电流包络线。

TCM 转换器和 iTCM 转换器之间的区别在于存在 L b1、 L b2和 C b。在正常操作期间，C b两端的电压等于输入电压 V ac。以 180 度异相运行的两相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的大小仅能处理 TCM 运行所需的高频交流纹波电流。这消除了 TCM 中使用的电感器所需的直流偏置，如 [4] 中所定义。L b1和 L b2的铁氧体磁芯有助于确保在存在 ZVS 所需的高通量摆动时的低损耗。L g1和 L g2的值比 L b1和 L b2大（多达 10 倍），这可以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更低成本的磁芯材料。图 1 还说明了几个关键分支的纹波电流包络。

控制

德州仪器 (TI) TMS320F280049C 微控制器和 LMG3526R030 GaN 场效应晶体管 (FET) 有助于控制。这些 FET 具有集成的零电压检测 (ZVD) 信号，只要开关通过 ZVS 打开，该信号就会被置为有效。微控制器使用 ZVD 信息来调整开关时序参数，以刚好足以实现 ZVS 的电流打开开关。为简单起见，图 2显示了一个单相 iTCM PFC 转换器。表格1定义此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微分方程组。这些等式使用在两个开关上强制执行 ZVS 并强制电流等于电流命令的条件。如果系统在两个开关的正确 ZVS 量下运行，则方程式是准确的。正确运行时，该算法会产生 0% THD 和 ZVS 量的时序参数。为了促进 ZVS 条件，每个开关（S 1和 S 2）逐周期向微控制器各自的 ZVS 导通状态。在图 2 中，V hs,zvd和 V ls,zvd表示 ZVD 。

图 2带有控制信号的单相 iTCM 原理图。

表 1开关时序参数和定义。

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 显示了在理想频率下运行的系统。理想情况下，我的意思是 THD 为 0%，并且您拥有适合高侧和低侧 FET 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，高侧 FET 失去 ZVS（如高侧 ZVD 信号的损失所示），而低侧 FET 的负电流比实现 ZVS 所需的电流更多。结果是效率损失和功率因数失真。图 3c 出现在工作频率比理想频率高 50 kHz 时。在这种情况下，高侧 FET 具有 ZVS，但低侧 FET 失去 ZVS。同样，存在明显的效率损失和失真。

图 3 ZVD 行为与低 f s (a); 理想 f s (b); 和高 f s (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向工作点。通过这种方式，控制工作就像一个试图找到工作频率的积分器。当系统徘徊在每个周期勉强获得 ZVS 的阈值时，就会出现状态。

原型性能

图 4显示了使用我目前讨论的拓扑和算法构建的原型。

图 4功率密度为 120 W/in 3的 400 V、5 kW 原型。

表 2总结了原型的规格和重要组件值。

表2系统规格及重要部件

图 5显示了原型的测量节点，图 6显示了原型在全功率 (5 kW) 下运行的系统波形。开关节点电流 I L,A和 I L,B是各自分支的L g和 L b中的电流之和。绘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。