對于傳統(tǒng)的連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 控制，需要具有成本效益的解決方案來改善輕負載和峰值效率下的功率因數(shù)校正 (PFC)，同時縮小無源元件，這變得越來越困難。工程師們正在對復(fù)雜的多模解決方案進行重要研究，以解決這些問題 [1]、[2]，這些方法很有吸引力，因為它們使您能夠縮小電感器的尺寸，同時在較輕負載下通過軟開關(guān)提高效率。

但在本電源技巧中，我將介紹一種實現(xiàn)高效率和低總諧波失真 (THD) 的新方法，該方法不需要使用復(fù)雜的多模式控制算法，并在所有工作條件下實現(xiàn)零開關(guān)損耗。這種方法使用帶有集成標(biāo)志的高性能氮化鎵 (GaN) 開關(guān)，該標(biāo)志指示開關(guān)是否以零電壓開關(guān) (ZVS) 開啟。這種方法可在所有工作條件下實現(xiàn)高效 ZVS，同時將 THD 壓得非常低。

該系統(tǒng)使用的拓撲是集成三角電流模式 (iTCM) 圖騰柱 PFC [3]。對于高功率和高效率系統(tǒng)，圖騰柱 PFC 在傳導(dǎo)損耗方面具有明顯優(yōu)勢。此拓撲的 TCM 版本通過確保電感器電流在開關(guān)導(dǎo)通之前始終足夠負來強制執(zhí)行 ZVS [4]。圖 1說明了圖騰柱 PFC 的 iTCM 版本。

圖 1 iTCM 拓撲，顯示交流線路頻率電流包絡(luò)線。

TCM 轉(zhuǎn)換器和 iTCM 轉(zhuǎn)換器之間的區(qū)別在于存在 L b1、 L b2和 C b。在正常操作期間，C b兩端的電壓等于輸入電壓 V ac。以 180 度異相運行的兩相利用紋波電流抵消并降低 C b中的均方根電流應(yīng)力。L b1和 L b2的大小僅能處理 TCM 運行所需的高頻交流紋波電流。這消除了 TCM 中使用的電感器所需的直流偏置，如 [4] 中所定義。L b1和 L b2的鐵氧體磁芯有助于確保在存在 ZVS 所需的高通量擺動時的低損耗。L g1和 L g2的值比 L b1和 L b2大（多達 10 倍），這可以防止大部分高頻電流流入輸入源，從而降低電磁干擾 (EMI)。此外，L g1和 L g2中紋波電流的降低使得可以使用更低成本的磁芯材料。圖 1 還說明了幾個關(guān)鍵分支的紋波電流包絡(luò)。

德州儀器 (TI) TMS320F280049C 微控制器和 LMG3526R030 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 有助于控制。這些 FET 具有集成的零電壓檢測 (ZVD) 信號，只要開關(guān)通過 ZVS 打開，該信號就會被置為有效。微控制器使用 ZVD 信息來調(diào)整開關(guān)時序參數(shù)，以剛好足以實現(xiàn) ZVS 的電流打開開關(guān)。為簡單起見，圖 2顯示了一個單相 iTCM PFC 轉(zhuǎn)換器。表格1定義此圖中使用的關(guān)鍵變量。微控制器使用一種算法來求解系統(tǒng)的微分方程組。這些等式使用在兩個開關(guān)上強制執(zhí)行 ZVS 并強制電流等于電流命令的條件。如果系統(tǒng)在兩個開關(guān)的正確 ZVS 量下運行，則方程式是準(zhǔn)確的。正確運行時，該算法會產(chǎn)生 0% THD 和 ZVS 量的時序參數(shù)。為了促進 ZVS 條件，每個開關(guān)（S 1和 S 2）逐周期向微控制器各自的 ZVS 導(dǎo)通狀態(tài)。在圖 2 中，V hs,zvd和 V ls,zvd表示 ZVD 。

圖 2帶有控制信號的單相 iTCM 原理圖。

表 1開關(guān)時序參數(shù)和定義。

圖 3說明了 ZVD 時序調(diào)整過程。在每個開關(guān)周期中，微控制器計算開關(guān)時序參數(shù)（t on、t off、t rp和 t rv) 基于 ZVD 信號的累積歷史。圖 3b 顯示了在理想頻率下運行的系統(tǒng)。理想情況下，我的意思是 THD 為 0%，并且您擁有適合高側(cè)和低側(cè) FET 的 ZVS 量。圖 3a 顯示了當(dāng)工作頻率比理想頻率低 50 kHz 時發(fā)生的情況。請注意，高側(cè) FET 失去 ZVS（如高側(cè) ZVD 信號的損失所示），而低側(cè) FET 的負電流比實現(xiàn) ZVS 所需的電流更多。結(jié)果是效率損失和功率因數(shù)失真。圖 3c 出現(xiàn)在工作頻率比理想頻率高 50 kHz 時。在這種情況下，高側(cè) FET 具有 ZVS，但低側(cè) FET 失去 ZVS。同樣，存在明顯的效率損失和失真。

圖 3 ZVD 行為與低 f s (a); 理想 f s (b); 和高 f s (c)。

根據(jù) ZVD 信號的存在與否，控制器可以增加或減少頻率以將系統(tǒng)推向工作點。通過這種方式，控制工作就像一個試圖找到工作頻率的積分器。當(dāng)系統(tǒng)徘徊在每個周期勉強獲得 ZVS 的閾值時，就會出現(xiàn)狀態(tài)。

圖 4顯示了使用我目前討論的拓撲和算法構(gòu)建的原型。

圖 4功率密度為 120 W/in 3的 400 V、5 kW 原型。

表 2總結(jié)了原型的規(guī)格和重要組件值。

圖 5顯示了原型的測量節(jié)點，圖 6顯示了原型在全功率 (5 kW) 下運行的系統(tǒng)波形。開關(guān)節(jié)點電流 I L,A和 I L,B是各自分支的L g和 L b中的電流之和。繪圖的縮放部分顯示了正半周期內(nèi)的波形細節(jié)。電流波形具有理想的三角形形狀，負電流剛好足以實現(xiàn) ZVS，如開關(guān)節(jié)點電壓 V A和 V B所示。此外，電流波形的正弦包絡(luò)表明 THD 較低。

圖 5原型測量節(jié)點

圖 6樣機在全功率下運行的系統(tǒng)波形（V in = V out /2，負載 = 5 kW，V in = 230 V ac，V out = 400 V）。

圖 7顯示了整個負載范圍內(nèi)測得的效率和 THD。效率峰值超過 99%，幾乎在整個負載范圍內(nèi)都超過 98.5%。THD 值為 10%，在大部分負載范圍內(nèi)低于 5%。為了優(yōu)化性能，單元相位在大約 2 kW 時減少或增加相位。

圖 7整個負載范圍內(nèi)的原型效率和 THD。

實現(xiàn)圖騰柱 PFC 的高效率和低 THD