Brent McDonald

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 [1]、[2]，这些方法吸引人之处在于，它们使您能够缩减电感器的尺寸，同时在较轻的负载下利用软开关提高效率。

但在本期电源设计小贴士中，我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 [3]。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 [4]。图 1 展示了 iTCM 版本的图腾柱 PFC。

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。在正常工作期间，C_b 上的电压等于输入电压 V_ac。以 180 度异相运行的两相会利用纹波电流消除，并降低 C_b 中的均方根电流应力。L_b1 和 L_b2 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（如 [4] 中所定义）。在存在 ZVS 所必需的高磁通摆幅的情况下，L_b1 和 L_b2 的铁氧体磁芯有助于确保低损耗。L_g1 和 L_g2 的值大于 L_b1 和 L_b2（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 L_g1 和 L_g2 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，V_hs,zvd 和 V_ls,zvd 表示 ZVD 报告。

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（t_on、t_off、t_rp 和 t_rv）。图 3b 显示系统正以理想频率运行。理想情况下，我是说当 THD 为 0%，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。

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 展示了一个使用我目前所述拓扑和算法构建的原型。

表 2 概述了该原型的规格和重要元件值。

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 I_L,A 和 I_L,B 是其各自分支的 L_g 和 L_b 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 V_A 和 V_B 所示。此外，电流波形的正弦包络表明 THD 较低。

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。

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。有关此方法的更多信息以及系统仿真模型，请参阅变频、ZVS、5kW、基于 GaN 的两相图腾柱 PFC 参考设计。

参考文献

1. Fernandes、Ryan 和 Olivier Trescases。“A Multimode 1-MHz PFC Front End with Digital Peak Current Modulation.”发表于 IEEE 电力电子学汇刊第 31 卷第 8 期（2016 年 8 月）：第 5694-5708 页。doi：10.1109/TPEL.2015.2499194。
2. Lim、Shu Fan 和 Ashwin M. Khambadkone。“A Multimode Digital Control Scheme for Boost PFC with Higher Efficiency and Power Factor at Light Load.”发表于 2012 年第二十七届年度 IEEE 应用电力电子会议暨博览会 (APEC)，2012 年 2 月 5-9 日，第 291-298 页。doi：10.1109/APEC.2012.6165833。
3. Rothmund、Daniel、Dominik Bortis、Jonas Huber、Davide Biadene 和 Johann W. Kolar。“10kV SiC-Based Bidirectional Soft-Switching Single-Phase AC/DC Converter Concept for Medium-Voltage Solid-State Transformers.”‌发表于 2017 年 IEEE 第 8 届分布式发电系统电力电子 (PEDG) 国际研讨会，2017 年 4 月 17-20 日，第 1-8 页。doi：10.1109/PEDG.2017.7972488。
4. Liu、Zhengyang。2017.“Characterization and Application of Wide-Band-Gap Devices for High Frequency Power Conversion.”弗吉尼亚理工学院暨州立大学博士论文。http://hdl.handle.net/10919/77959。

之前在 EDN.com 上发布。