數據中心伺服器電源供應裝置斷電會導致娛樂、金融交易甚至到家庭保全系統等一切全部停擺。開放式運算項目 (OCP) [1] 的 V2 供電架規範等規定強調了使用穩健 AC 壓降控制演算法來減少伺服器停機時間的必要性。此外，由於使用傳統的連續導通模式 [2-8] 控制，因此需要使用符合數據中心成本效益的解決方案，以在輕負載下以峰值效率改善功率因數校正 (PFC)，同時縮減被動元件，也變得越來越困難。

為解決這個問題，TI 開發出氮化鎵 (GaN) 高密度設計，採用雙相整合式三角電流模式 (iTCM) PFC (圖 1) [9]。在高頻下運作的低值電感器可達到此設計的高效率 (>99%) 和功率密度 (120W/in³)。這種小型電感器在 AC 壓降復原方面存在獨特的問題，因為僅僅幾微秒的開關開啟時間就可能產生超過 70A 的開關電流。此外，任何時間上的延遲都會造成顯著逆電流，加重阻礙 PFC 復原。若要將電流位準維持在安全幅度並防止逆電流，就需要開發出 AC 壓降和復原問題的新解決方案。本文討論的解決方案具有實驗室驗證資料，這些資料是根據變頻、ZVS、5kW、GaN 式、雙相圖騰柱 PFC 參考設計 [10] 而得，且 表 1 列出主要元件和系統規格。

此拓撲結構使用兩個相位，相位差 180°，並具有一個單一 DC 阻隔電容器 C_b，利用兩相位架構提供的漣波電流消除，並降低 C_b 中的均方根 (RMS) 電流應力。L_b1 和 L_b2 的尺寸適合處理 TCM 運作所需的高頻 AC 漣波電流，消除 TCM 所用電感器需要的 DC 偏壓負擔，如 [5] 中所定義。在存在零電壓切換 (ZVS) 所需的高通量擺幅時，使用 L_b1 和 L_b2 的鐵氧體磁芯有助於確保低損耗。L_g1 和 L_g2 的值大於 L_b1 和 L_b2 (約大 10 倍)，這可防止大部分高頻率電流流入輸入來源，進而改善 EMI。此外，L_g1 和 L_g2 中的漣波電流減少，即可使用低成本的核心材料。圖 1 同時說明電感器和開關節點的漣波電流包絡。

我要介紹的第一個難題是，當 AC 輸入電壓消失時會產生逆電流。由於圖騰柱 PFC 拓撲結構的所有開關皆為雙向，作為同步整流器運作的 FET 在移除 AC 時，必須盡可能快速關機。關機可防止負電流產生，負電流會使輸出電壓放電，而減少可用的保持時間。圖 2 說明在正半週期中，產生此同步傳導間隔負電流的路徑。此外，關閉同步整流器時的任何重大延遲也會造成大電流突波，進而觸發過電流保護 (OCP)。例如，如果同步整流器在沒有輸入電壓的情況下保持開啟，各位可以解出 $V_{dc}=L_{b1}\cdot \frac{d{I}_1}{dt}$ 產生 70A 電流，也就是 2.5µs 所需的時間量。這短短的時間會強烈影響 AC 壓降偵測識別問題並在系統來到 OCP 或造成損壞之前停止切換。

第二個難題是復原 AC 後恢復 PFC 運作。此事件的核心問題是因為 PFC 上的旁路二極體會將輸出電壓充電至輸入正弦波峰值，使輸出電壓降到此高峰值以下時最容易發生，尤其在高線路上。發生這些事件時，轉換器沒有停止電流的機制，因此會造成突波電流極大。事件期間控制開關不當會造成電感器飽和，引發 OCP 事件及進一步放電輸出電壓，使情況惡化。這段時間內需要精準的控制演算法，此需求再次因 iTCM 拓撲結構的高頻運作點以及用於 L_b1 和 L_b2 的小值電感器而倍增。

為了精準確定 AC 輸入是否存在，解決方案使用虛擬 AC 輸入訊號監測實際 AC 輸入的完整性。此虛擬訊號透過測量輸入電壓振幅、頻率和相位而產生，以便在正常運作過程中近乎完美地追蹤實際交流輸入的 50 和 60Hz 元件。透過比較實際輸入和虛擬輸入，系統可以輕鬆辨別是否存在 AC 輸入電壓。兩個訊號之間的差異如有任何突發變化，都表示發生輸入暫態事件。此暫態事件可用於偵測 AC 輸入電壓損失及復原狀況。圖 3 說明虛擬 AC 輸入以及壓降事件期間的實際輸入。

圖 4 說明管理壓降和復原程序的狀態機。啟動時，系統會經過初始化週期 (同步初始化)，RMS 輸入電壓幅度於此期間確定。其會使用軟體鎖相迴路 (SPLL) 來確保 V_ac,virtual 的相位與 V_ac,actual 相符。一旦 SPLL 鎖定 (同步開啟)，處理器將監控 V‌_ac,actual‌/V‌_{ac,virtual‌} 之間的比率 (請參閱 圖 3)。如果此比率小於目標閾值，則系統會宣告中斷事件，切換會立即停止 (停止狀態)。此時，系統將清除發生的所有故障並進入待機狀態 (就緒)，在此狀態下，系統將監控 V_ac,actual/V_ac,actual 比率，以確定比率何時高於恢復閾值。一旦狀態機確定 AC 復原，其將立即恢復切換並重新同步 SPLL (恢復狀態)。將 V_ac,actual/V_ac,actual比率搭配 SPLL 使用，演算法可以確定任何輸入電壓或頻率的 AC 壓降和復原時間。此外，由於演算法始終監控 V_ac,actual/Vac,actual 比率，其能夠比傳統的位準型解決方案更快回應，後者會偵測 AC 輸入電壓何時歸零。壓降的位準型架構監控可能會產生延遲，造成大電流突波及顯著逆電流。

圖 5 說明在 AC 壓降和復原事件期間，以前述演算法執行雙相 iTCM 圖騰柱 PFC 的性能。在 60Hz 下，AC 輸入電壓為 230V_RMS，輸出電壓為 400V。負載為 5kW (400V，12.5A) 的恆定電流，並有 20ms AC 壓降事件。為了呈現系統最差情況下的應力，已將 AC 移除，使其在 AC 線路週期峰值時回流。這是最差的突入電流情況，因為當 AC 線路峰值超過 V_OUT 時，輸入旁路二極管將導致輸出電容器中產生顯著的突入電流。

圖 5 中的波形也提供事件恢復部分的放大圖像。明顯可見 PFC 開關電流受到良好控制且低於 GaN FET OCP 限制 [12]。盡可能減少逆電流可防止不必要的 V_OUT 放電。此外，旁路二極體的傳導間隔並無異常行為，因為演算法能夠輕鬆判斷輸入電壓是否高於或等於輸出電壓。

除了 AC 壓降，此設計亦提供低 THD、高效率、高功率密度及快速負載暫態響應。

如想進一步了解此演算法或此設計的其他方面，參考資料 [10] 中有關於雙相圖騰柱 PFC 參考設計的完整電路圖、佈線圖、物料清單、測試結果和程式碼。

1. V2 供電架規範 6600W 12.6V DC (2+1) 備援。開放式運算專案。Facebook：Menlo Park，加州 (2015 年 2 月)。
2. Fernandes、Ryan 和 Olivier Trescases。具備數位峰值電流調變的多模式 1MHz PFC 前端。出版於《IEEE Transactions on Power Electronics》第 31 冊第 8 期 (2016 年 8 月)：第 5694-5708 頁。數位物件識別碼：10.1109/TPEL.2015.2499194。
3. Lim, Shu Fan 和 Ashwin M. Khambadkone。輕負載狀態下具備更高效率與功率因數的升壓 PFC 多模式數位控制方案。發表於 2012 年第二十七屆 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)，第 291-298 頁。數位物件識別碼：10.1109/APEC.2012.6165833。
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9. Rothmund、Daniel、Dominik Bortis、Jonas Huber、Davide Biadene 和 Johann W. Kolar。用於中壓固態變壓器的 10 kV SiC 雙向軟性切換單相 AC/DC 轉換器概念。發表於 2017 年第八屆 IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG)，第 1-8 頁。數位物件識別碼：10.1109/PEDG.2017.7972488。
10. Texas Instruments. n.d.可變頻率、ZVS、5kW、GaN 架構、二相圖騰柱 PFC 參考設計。德州儀器參考設計編號 PMP40988。存取於 2022 年 12 月 27 日。
11. Texas Instruments. n.d.具有 100MHz、FPU、TMU、256kb 快閃記憶體、CLA、InstaSPIN-FOC™、CLB、PGA、SDFM 的 C2000™ 32 位元 MCU。存取於 2022 年 12 月 27 日。
12. Texas Instruments. n.d.具有整合式驅動器、防護和溫度報告功能的車用 650V、30mΩ GaN FET。存取於 2022 年 12 月 27 日。