使用先进的控制方法来提高基于 GaN 的 PFC 的功率密度
出处：维库电子市场网 发布于：2024-03-26 16:47:52 | 247 次阅读
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众所周知，图腾柱 PFC 是高功率、高效率 PFC 的主力。图 1说明了该拓扑。
在交流线路的正半周期期间，S 2用作控制 FET，S 1用作同步整流器。S 4始终开启，S 3始终关闭。图 2显示了由于控制 FET S 2导通而导致电感器电流增加的时间间隔。图3显示了电感电流通过同步整流器S 1放电的时间间隔。
图 2正半周期电感电流充电间隔。资料德州仪器
图 3正半周期电感放电间隔。资料德州仪器图 4和图 5显示了负半周期的相同行为。
S 1和 S 2使用 GaN 开关，使转换器能够以更高的开关频率运行，同时开关的开通和关断损耗更低。然而，如果 GaN 开关可以通过零电压开关 (ZVS) 开启，则可以实现更高的频率。此设计的目标是在所有线路和负载条件下的每个开关周期实现 ZVS。为了做到这一点，你需要做两件事：
用于告知控制器是否已实现 ZVS 的反馈
微控制器可以实时执行的算法，以实现低总谐波失真 (THD)您可以通过 GaN 开关内部的集成零电压检测 (ZVD) 传感器来完成第一项任务 [1]。如果开关通过 ZVS 导通，ZVD 标志的工作方式是断言高电平信号；如果在导通时未实现 ZVS，则 ZVD 信号保持低电平。图 6和图 7说明了这种行为。
图 6采用具有集成驱动器、保护和温度报告功能的 LMG3425R030 GaN FET 以及 TMS320F280049C MCU 的 ZVD 反馈框图。资料德州仪器图 7带 ZVS 的 ZVD 信号（左）和不带 ZVS 的 ZVD 信号（右）。集成的 ZVD 传感器启用 ZVD 标志，如果开关通过 ZVS 打开，则可以看到该标志。
GaN 开关内可提供许多优势：最少的组件数量、低延迟以及可靠的 ZVS 事件检测。
除了 ZVD 信号之外，您还需要一种能够计算开关时序参数的算法，以便同时实现 ZVS 和低 THD。图 8是实现该算法所需的硬件框图。
图 8基于 ZVD 的控制方法所需的硬件，该方法使算法能够计算开关时序参数，以同时实现 ZVS 和低 THD。资料德州仪器求解 GaN FET 漏源电压 (V DS ) 谐振跃迁的 ZVS 状态平面将为您提供此设计的算法。图 9显示了 GaN FET V DS、电感器电流和控制信号，以及时域图和状态平面图。
“j”是每个死区时间间隔开始和结束时的归一化电流“m”是标准化电压
“θ”用于归一化时序参数
该图还显示了标准化关系。图 8 中的微控制器求解图 9 中所示的状态平面系统方程，以便系统实现 ZVS 和理想功率因数。ZVD 信号提供反馈，指示微控制器如何调整开关频率以满足 ZVS。
图 10应用频率太低（左）、理想（中）和太高（右）时的 ZVD 控制波形。资料德州仪器硬件性能
图 11是使用 GaN 和之前描述的算法的两相 5 kW 设计示例的照片。
图 12在全功率下采集的电感器电流波形（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输入? V输出/2。资料德州仪器图 13显示了在整个负载范围内以 230V交流输入运行的系统的测量效率和 THD 。
图 13在整个负载范围内使用 230V交流输入运行的两相 PFC 的效率和 THD 。资料德州仪器
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