在本系列的部分中，我們簡(jiǎn)要介紹了多級(jí)圖騰柱 PFC 拓?fù)浼捌淙绾卧诜?wù)器應(yīng)用中提高功率密度。在本文的第二部分中，我們將深入探討此類解決方案的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并展示一個(gè) 240 VAC 輸入至 400 V DC 輸出、5 kW PFC 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖 1 顯示了 PFC 轉(zhuǎn)換器的框圖，包括輸入 EMI 濾波器，其中包含限流電路，主要 PFC 轉(zhuǎn)換器階段和輸出電容組。

圖 1. PFC 轉(zhuǎn)換器的框圖。圖片來(lái)自 Bodo’s Power Systems 

 設(shè)計(jì)概述

ORV3 標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定并推動(dòng)了物理設(shè)計(jì)，因?yàn)?a target="_blank">電源解決方案需要在 40 毫米高度和 70 毫米寬度的窗口內(nèi)，長(zhǎng)度多為 630 毫米。該單元的一端用于電網(wǎng)輸入，另一端用于直流輸出。

設(shè)計(jì)的步是識(shí)別的組件，以便規(guī)劃解決方案的布局，在此設(shè)計(jì)中，這些組件是輸出大容量電容器。它們的選擇對(duì)于滿足電氣規(guī)范和機(jī)械匹配都至關(guān)重要。此外，限制組裝步驟的數(shù)量，這將有助于保持生產(chǎn)成本較低。在此設(shè)計(jì)中，選擇了短而垂直、可安裝的電容器，這些電容器不需要彎曲引線或垂直安裝接口板。總共需要五個(gè)電容器，每個(gè)電容器的直徑為 30 毫米，高度為 35 毫米。

設(shè)計(jì)的第二個(gè)考慮因素是 EMI 濾波器。這是設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要的部分，必須分配在電磁“安靜”的區(qū)域，才能有效工作。它通常位于轉(zhuǎn)換器的前端，因此可以與被認(rèn)為是電磁“安靜”的大容量電容器共享空間。

設(shè)計(jì)中的一個(gè)大型電路是轉(zhuǎn)換器階段，這將不可避免地位于輸出區(qū)域。設(shè)計(jì)的這一部分是利用剩余的空間和體積來(lái)適應(yīng)電路的地方，可以發(fā)揮一定的創(chuàng)造力。

除了分配電路和功能區(qū)域外，設(shè)計(jì)還必須確定冷卻路徑。主要有兩種冷卻方式，1）通過(guò)整個(gè)單元的強(qiáng)制空氣冷卻，2）側(cè)壁冷卻，主要依靠機(jī)箱散熱。這迫使一些較大的半導(dǎo)體器件放置在板子的外部，以便更容易接觸到側(cè)壁。

 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖 2 所示，設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了一個(gè) 5 kW 的實(shí)驗(yàn)單元。該組裝包括四塊電路板：a) 一塊帶有 EMI 濾波器、大容量電容、涌流限制電路和輔助電源的母板，b) 一塊多級(jí) GaN 卡，c) 一塊飛容和控制接口卡，以及 d) 一塊控制器卡（來(lái)自 Microchip 的 dsPIC33CK）。

圖 2. 5 kW 多級(jí)圖騰柱轉(zhuǎn)換器 EPC91107KIT 組件的照片。圖片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems 

240 V AC_RMS ，50/60 Hz 的電網(wǎng)連接在電路板的左側(cè)，400 V DC 的負(fù)載連接在電路板的右側(cè)（圖 2 中不可見）。設(shè)計(jì)的是多級(jí) GaN 卡。這是電路板上復(fù)雜的部分，包括高頻橋和低頻橋。圖 3 顯示了 GaN 卡的詳細(xì)情況，其中特定的電路和組件被突出顯示。選擇的高開關(guān)頻率 GaN FET 是 200 V 額定，3.5 mΩ典型 R DSon ，EPC2304 [2]。選擇了微型隔離電源 [3] 來(lái)為門驅(qū)動(dòng)器供電，并且與單個(gè)隔離門驅(qū)動(dòng)器一起，顯著降低了該設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和操作。

圖 3. 多級(jí)氮化鎵卡的照片，照片中突出顯示了各種組件和電路。圖片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems 

GaN 卡的尺寸僅為 92.5 mm x 38.5 mm，并包含所有所需的測(cè)量反饋電路以運(yùn)行轉(zhuǎn)換器。

4 級(jí)轉(zhuǎn)換器只需要 13.8 μH 的總 PFC 電感即可實(shí)現(xiàn)與 2 級(jí)轉(zhuǎn)換器中 130 μH 的 PFC 電感相同的紋波電流。這種低電感使得可以使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成電感器。在此設(shè)計(jì)中，PFC 電感被分為兩個(gè)分別為 7.5 μH 和 6.2 μH 的獨(dú)立電感 [4]，并選擇它們具有的總占位面積。這些電感有不同的自諧振頻率（SRF），分別為 29 MHz 和 25 MHz，這足以確保開關(guān)的高 dv/dt 無(wú)法輕易傳遞到輸入端，而 EMI 濾波器需要對(duì)其進(jìn)行衰減。

低 PFC 電感導(dǎo)致更高的電流環(huán)路響應(yīng)，需要高頻帶寬電流傳感器。在此設(shè)計(jì)中，選擇了一個(gè)具有 1 MHz 帶寬的隔離霍爾效應(yīng)電流傳感器 [5]。

控制器概述

多電平圖騰柱 PFC 的控制基本上與傳統(tǒng)的 2 級(jí)配置相同，只是有一些細(xì)微的差別。圖 4 展示了整體控制框圖，其中包括外部電壓控制環(huán)路、內(nèi)部電流控制環(huán)路以及電網(wǎng)頻率相位鎖定環(huán)（PLL）。PLL 通過(guò)檢測(cè)零電壓過(guò)零點(diǎn)鎖定到電網(wǎng)，并生成用于電壓和電流控制環(huán)路的正弦參考。

外部電壓控制環(huán)路確定設(shè)定點(diǎn)與運(yùn)行點(diǎn)之間的誤差，該誤差被饋入補(bǔ)償器以確定電流幅度參考。電壓控制器還包括一個(gè)零階保持（ZOH）功能，其主要目的是在后續(xù)電網(wǎng)周期中保持確定的電流設(shè)置為固定值，這確保了在電網(wǎng)周期內(nèi)電流參考的零失真。然后將電流幅度設(shè)置與正弦參考相乘，以產(chǎn)生交流電流參考。

同樣，電流控制環(huán)路確定 AC 電流參考值與輸入到電流補(bǔ)償器的測(cè)量電流之間的誤差，以確定系統(tǒng)的占空比參考值。為了確保快速響應(yīng)和相位誤差，正弦參考值會(huì)根據(jù)測(cè)量到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行縮放，并輸入到前饋功能塊中，以估算運(yùn)行占空比。計(jì)算出的占空比與電流補(bǔ)償器的輸出相加，因此電流控制器現(xiàn)在只需確定設(shè)定點(diǎn)的小偏差即可。 

圖 4. 多級(jí) PFC 轉(zhuǎn)換器的控制器框圖。圖片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems 

4 級(jí)轉(zhuǎn)換器本身會(huì)自動(dòng)平衡懸置電容器上的電壓，因?yàn)?PFC 電感電流是連續(xù)的[6]，因此不需要添加主動(dòng)懸置電容器電壓平衡控制器。由于 PFC 控制器在整個(gè)周期內(nèi)以固定參考值運(yùn)行的固有特性，這也適用于負(fù)載瞬態(tài)。

Experimental Results  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖 2 所示的實(shí)驗(yàn)單元經(jīng)過(guò)測(cè)試，圖 5 中顯示了 AC 輸入電壓、電感電流、直流輸出電壓以及相對(duì)于中性點(diǎn)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，該轉(zhuǎn)換器從 240 V AC_RMS 運(yùn)行并提供 5.03 kW 到 400 VDC 負(fù)載。波形清楚地表明懸置電容器正在其各自的水平上運(yùn)行，電感電流幾乎跟隨電網(wǎng)電壓。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用可編程 AC 源供電，因此輸入電壓幾乎完美地是正弦波。

圖 5. 轉(zhuǎn)換器在 V in = 240 V AC_RMS ，V out = 400 V DC ，P out = 5.03 kW 下運(yùn)行的波形。圖片來(lái)自 Bodo’s Power Systems 

由于 PFC 電感的低電感量，控制器需要在 PLL 中具有更高的精度，以確定電網(wǎng)電壓的零交叉點(diǎn)。這對(duì)于確保在零交叉附近的電流尖峰以避免不必要的損耗是必要的。

圖 6 顯示了 PFC 轉(zhuǎn)換器從 240 V AC_RMS 和 400 V DC 負(fù)載運(yùn)行時(shí)的效率和電流總諧波失真(iTHD)結(jié)果。從 60%到 100%負(fù)載，效率超過(guò) 98%。同樣，從 40%到 100%負(fù)載功率，iTHD 低于 5%。

圖 6. V in = 240 V AC_RMS ，V out = 400 V DC 運(yùn)行時(shí)的效率和 iTHD 結(jié)果。圖片來(lái)自 Bodo’s Power Systems