GaN 开关集成如何在 PFC 中实现低 THD 和高效率

为了在轻负载下改善功率因数校正 (PFC) 并达到峰值效率，同时缩减无源器件，需要用到符合成本效益的解决方案，而这一需求在使用常规连续导通模式 (CCM) 控制的情况下变得越来越困难。

工程师们正在对复杂多模解决方案进行大量研究，以求解决这些问题，实现在缩减电感器尺寸的同时，在较轻的负载下利用软开关提高效率。

本期电源设计小贴士中，我们将介绍一种实现高效率和低总谐波失真 (THD) 的新方法，此方法不需要使用复杂的多模式控制算法，可在所有工作条件下实现零开关损耗。此方法采用高性能氮化镓 (GaN) 开关，它具有一个集成标志，用于指示开关是否通过零电压开关 (ZVS) 导通。这种方法可在所有工作条件下实现高效率 ZVS，同时强制 THD 处于非常低的水平。

拓扑

该系统所使用的拓扑为积分三角电流模式 (iTCM) 图腾柱 PFC。对于高功率和高效率系统来说，图腾柱 PFC 在导通损耗方面具有明显的优势。此拓扑的 TCM 版本会确保电感器电流在开关导通之前始终为足够的负值，以此强制进行 ZVS。图 1 展示了 iTCM 版本的图腾柱 PFC。

图 1. iTCM 拓扑，其中显示了交流线路频率电流包络

TCM 转换器和 iTCM 转换器之间的区别在于存在 Lb1、Lb2 和 Cb。在正常工作期间，Cb 上的电压等于输入电压 Vac。以 180 度异相运行的两相会利用纹波电流消除，并降低 Cb 中的均方根电流应力。Lb1 和 Lb2 的大小设定为仅处理 TCM 运行所必需的高频交流纹波电流。这可以消除 TCM 中使用的电感器所需的直流偏置。

在存在 ZVS 所必需的高磁通摆幅的情况下，Lb1 和 Lb2 的铁氧体磁芯有助于确保低损耗。Lg1 和 Lg2 的值大于 Lb1 和 Lb2（高达 10 倍），可防止大部分高频电流流入输入源，进而降低电磁干扰 (EMI)。此外，由于 Lg1 和 Lg2 中的纹波电流较低，因此可以使用成本更低的磁芯材料。图 1 还展示了多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) 来实现。这些 FET 具有集成式零电压检测 (ZVD) 信号，每次开关通过 ZVS 导通时，此信号都会置为有效。微控制器使用 ZVD 信息来调整开关时序参数，从而以刚好足够实现 ZVS 的电流来导通开关。

为简单起见，图 2 展示了一个单相 iTCM PFC 转换器。表 1 定义了此图中使用的关键变量。微控制器会使用一种算法来为系统求解精确的微分方程组。这些方程使用的条件会在两个开关上强制执行 ZVS，并强制电流等于电流命令。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。

当正确运行时，算法会得出 0% THD 的时序参数和最优 ZVS 量。为了实现 ZVS 条件，每个开关（S1 和 S2）会逐周期向微控制器报告各自的 ZVS 导通状态。在图 2 中，Vhs,zvd 和 Vls,zvd 表示 ZVD 报告。

图 2. 具有控制信号的单相 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，微控制器会根据 ZVD 信号的累积历史记录计算开关时序参数（ton、toff、trp 和 trv）。

图 3b 显示系统正以理想频率运行。理想情况下，即当 THD 为 0%时，高侧和低侧 FET 会达到完美的 ZVS 量。图 3a 显示了当工作频率比理想频率低 50kHz 时会发生什么。

请注意，高侧 FET 会失去 ZVS（如高侧 ZVD 信号损耗所示），而低侧 FET 的负电流则大于实现 ZVS 所必需的值。结果会导致效率损失和功率因数失真。

图 3c 会在工作频率比理想值高 50kHz 时会出现。在这种情况下，高侧 FET 具有 ZVS，但低侧 FET 失去 ZVS。同样，也会存在明显的效率损失和失真。

图 3. 低 fs (a)、理想 fs (b) 和高 fs (c) 下的 ZVD 行为

根据是否存在 ZVD 信号，控制器可以增加或降低将系统推至最佳工作点的频率。这样一来，控制活动相当于一个尝试找到最佳工作频率的积分器。当系统在每个周期徘徊在勉强实现 ZVS 的临界状态时，就会达到最优状况。

原型性能

图 4 展示了一个使用前述拓扑和算法构建的原型。

图 4. 功率密度为 120W/in3 的 400V 5kW 原型

表 2 概述了该原型的规格和重要元件值。

表 2. 系统规格和重要元件

图 5 显示了该原型的测量节点，图 6 展示了该原型在全功率 (5kW) 下运行时的系统波形。开关节点电流 IL,A 和 IL,B 是其各自分支的 Lg 和 Lb 中的电流之和。

图中的放大部分显示了正半周期内的波形细节。电流波形为理想的三角形，具有刚好足够实现 ZVS 的负电流，如开关节点电压 VA 和 VB 所示。此外，电流波形的正弦包络表明 THD 较低。

图 5. 原型测量节点

图 6. 在全功率下（Vin = Vout/2，负载 = 5kW，Vin = 230Vac，Vout = 400V）运行的原型的系统波形

图 7 显示了在整个负载范围内测得的效率和 THD。效率峰值达到 99% 以上，几乎在整个负载范围内都高于 98.5%。THD 最大值为 10%，在大多数负载范围内都低于 5%。为了优化性能，单位相以大约 2kW 的功率减相或增相。

图 7. 整个负载范围内的原型效率和 THD

实现图腾柱 PFC 的高效率和低 THD

您可以使用 ZVD 信号来控制图腾柱 PFC 转换器的工作频率，从而实现高效率和低THD。

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