使用先進的控制方法來提高基于 GaN 的 PFC 的功率密度

出處：維庫電子市場網發(fā)布于：2024-03-26 16:47:52 | 439 次閱讀

　　在本文中，我將研究服務器 5 kW 功率因數校正器 (PFC) 內使用的高級控制方法。該設計使用高性能 GaN FET 以最高的實用頻率運行電源。該電源還采用了一種新穎的控制技術，可以從 GaN FET 中提取更多性能。最終結果是具有更高功率密度的高效率、小尺寸設計。
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　　眾所周知，圖騰柱 PFC 是高功率、高效率 PFC 的主力。圖 1說明了該拓撲。

　　圖 1基本圖騰柱 PFC 拓撲，其中 S 1和 S 2是高頻 GaN 開關，S 3和 S 4是低頻開關 Si MOSFET。資料德州儀器S 1和S 2是高頻GaN 開關，工作頻率在70 kHz 到1.2 MHz 之間。S 3和S 4是在線路頻率（50 至60 Hz）下工作的低頻開關硅MOSFET。

　　在交流線路的正半周期期間，S 2用作控制 FET，S 1用作同步整流器。S 4始終開啟，S 3始終關閉。圖 2顯示了由于控制 FET S 2導通而導致電感器電流增加的時間間隔。圖3顯示了電感電流通過同步整流器S 1放電的時間間隔。

　　圖 2正半周期電感電流充電間隔。資料德州儀器

圖 3正半周期電感放電間隔。資料德州儀器圖 4和圖 5顯示了負半周期的相同行為。

　　圖 4負半周期電感電流充電間隔。資料德州儀器圖 5負半周期電感放電間隔。資料德州儀器零電壓開關
　　S 1和 S 2使用 GaN 開關，使轉換器能夠以更高的開關頻率運行，同時開關的開通和關斷損耗更低。然而，如果 GaN 開關可以通過零電壓開關 (ZVS) 開啟，則可以實現更高的頻率。此設計的目標是在所有線路和負載條件下的每個開關周期實現 ZVS。為了做到這一點，你需要做兩件事：
　　用于告知控制器是否已實現 ZVS 的反饋

　　微控制器可以實時執(zhí)行的算法，以實現低總諧波失真 (THD)您可以通過 GaN 開關內部的集成零電壓檢測 (ZVD) 傳感器來完成第一項任務 [1]。如果開關通過 ZVS 導通，ZVD 標志的工作方式是斷言高電平信號；如果在導通時未實現 ZVS，則 ZVD 信號保持低電平。圖 6和圖 7說明了這種行為。

　　圖 6采用具有集成驅動器、保護和溫度報告功能的 LMG3425R030 GaN FET 以及 TMS320F280049C MCU 的 ZVD 反饋框圖。資料德州儀器圖 7帶 ZVS 的 ZVD 信號（左）和不帶 ZVS 的 ZVD 信號（右）。集成的 ZVD 傳感器啟用 ZVD 標志，如果開關通過 ZVS 打開，則可以看到該標志。

GaN 開關內可提供許多優(yōu)勢：最少的組件數量、低延遲以及可靠的 ZVS 事件檢測。

　　除了 ZVD 信號之外，您還需要一種能夠計算開關時序參數的算法，以便同時實現 ZVS 和低 THD。圖 8是實現該算法所需的硬件框圖。

　　圖 8基于 ZVD 的控制方法所需的硬件，該方法使算法能夠計算開關時序參數，以同時實現 ZVS 和低 THD。資料德州儀器求解 GaN FET 漏源電壓 (V DS ) 諧振躍遷的 ZVS 狀態(tài)平面將為您提供此設計的算法。圖 9顯示了 GaN FET V DS、電感器電流和控制信號，以及時域圖和狀態(tài)平面圖。

　　圖 9具有 GaN FET V DS、電感器電流和控制信號的諧振過渡狀態(tài)平面解決方案，以及時域圖和狀態(tài)平面圖。資料德州儀器在圖 9 的狀態(tài)平面圖中：
　　“j”是每個死區(qū)時間間隔開始和結束時的歸一化電流“m”是標準化電壓
　　“θ”用于歸一化時序參數

　　該圖還顯示了標準化關系。圖 8 中的微控制器求解圖 9 中所示的狀態(tài)平面系統(tǒng)方程，以便系統(tǒng)實現 ZVS 和理想功率因數。ZVD 信號提供反饋，指示微控制器如何調整開關頻率以滿足 ZVS。

　　圖 10顯示了應用頻率太低（左）、理想（中）和太高（右）時的工作波形。您可以看到，僅當應用頻率處于理想值時，兩個 ZVD 信號才會出現；因此，改變頻率直到兩個 FET 實現 ZVD 將揭示理想的工作點。
　　圖 10應用頻率太低（左）、理想（中）和太高（右）時的 ZVD 控制波形。資料德州儀器硬件性能
　　圖 11是使用 GaN 和之前描述的算法的兩相 5 kW 設計示例的照片。

　　圖 11兩相 5 kW 基于 GaN 的 PFC，具有應用算法所需的硬件，以實現更高的頻率并提高整體解決方案的效率。資料德州儀器表 1列出了設計示例的規(guī)格。
　

　　圖 12顯示了兩相的電感器電流波形（I LA和 I LB）和 GaN FET V DS波形（V A和 V B）。這些圖處于全功率狀態(tài)，說明了三種不同的操作條件。在每種情況下，您都可以看到 ZVS 和正弦電流包絡。所有三個圖的條件均為 V IN = 230V RMS、V OUT = 400V、P = 5kW 以及 200V/div、20A/div 和 2μs/div。
　　圖 12在全功率下采集的電感器電流波形（I LA和 I LB）和 GaN FET V DS波形：(a) V IN <V OUT /2，(b) V IN = V OUT /2，以及 (c) ) V輸入? V輸出/2。資料德州儀器圖 13顯示了在整個負載范圍內以 230V交流輸入運行的系統(tǒng)的測量效率和 THD 。
　　圖 13在整個負載范圍內使用 230V交流輸入運行的兩相 PFC 的效率和 THD 。資料德州儀器

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