模拟芯视界|在高密度GaN优化型PFC转换器中解决交流压降恢复问题

引言

数据中心服务器电源单元断电会导致从娱乐到金融交易再到家庭安防系统的所有方面发生中断。诸如开源计算项目 (OCP) 中的 V2 电源架规范等各种规范突显出需要使用稳健的交流压降控制算法来减少服务器停机时间。此外，在传统的连续导通模式控制中，数据中心需要具有成本效益的解决方案来提高功率因数校正 (PFC) 轻负载和峰值效率，同时缩小无源器件，这变得越来越困难。

为了解决这个问题，德州仪器使用两相集成三角电流模式 (iTCM) PFC 开发了基于氮化镓 (GAN) 的高密度设计（图 1）。在高频下运行的低值电感器使得此设计可实现高效率 (>99%) 和高功率密度 (120W/in³)。这些小型电感器在交流压降恢复过程中存在一个独特的问题，即只有几微秒的开关导通时间也可能会产生超过 70A 的开关电流。此外，时序中的任何延迟也会导致出现明显的反向电流，从而进一步加剧 PFC 的恢复问题。要将电流水平保持在安全水平并防止反向电流，需要开发一种新的解决方案来解决交流压降和恢复问题。本文利用基于变频、ZVS、5kW、基于 GaN 的两相图腾柱 PFC 参考设计的实验室验证数据来讨论此解决方案，表 1 列出了主要元件和系统规格。

图 1: 采用电感器和电流包络的 iTCM 拓扑

拓扑概述

该拓扑使用两个以 180° 异相运行的相位，使用单个直流阻断电容器 C_b，利用两相架构提供的纹波电流消除，并降低 C_b 中的均方根 (RMS) 电流应力。调整 L_b1 和 L_b2 来处理 TCM 运行所需的高频交流纹波电流，从而消除 TCM 中使用的电感器所需的直流偏置负担。为 L_b1 和 L_b2 使用铁氧体磁芯，确保在存在零电压开关 (ZVS) 所需的高磁通摆幅的情况下具有低损耗。L_g1 和 L_g2 的值大于 L_b1 和 L_b2（约大 10 倍），可防止大部分高频电流流入输入源，进而改善 EMI。此外，由于 L_g1 和 L_g2 中的纹波电流较低，因此可以使用成本更低的磁芯材料。图 1 还显示了适用于电感器和开关节点的纹波电流包络。

交流压降技术挑战

要强调的第一个挑战是，在交流输入电压消失时会生成反向电流。由于图腾柱 PFC 拓扑中的所有开关都是双向的，因此在去除交流电源时，必须尽快关断作为同步整流器运行的 FET。这种关断可防止产生负向电流，从而避免输出电压的放电，并减少可用的保持时间。图 2 展示了在正半周期内为同步导通间隔生成此负向电流的路径。此外，关断同步整流器过程中出现任何较大延迟也会导致出现一个大电流尖峰，该电流尖峰会激活过流保护 (OCP)。例如，如果同步整流器在没有输入电压时保持导通，则您可以解算在生成 70A 电流所花的时间（即 2.5µs）内的

这么短的时间会给交流压降检测带来一个重大问题，因为在系统触发 OCP 或造成损坏之前，交流压降检测需要及时识别问题并停止开关操作。

图 2: 同步整流器 S₂₁ 延迟关断 V_dc 放电路径

第二个挑战是，在恢复交流电后恢复 PFC 的运行。此事件的核心问题来自这样一个事实：PFC 上的旁路二极管将输出电压充电至输入正弦波的峰值，当输出电压降至远低于这个峰值时，在高压线路上最容易发生这种情况。在此类事件期间，转换器没有用于停止电流的机制，从而使浪涌电流变得非常大。在此类事件期间，如果不恰当地控制开关，则会使电感器饱和、触发 OCP 事件并进一步使输出电压放电，从而使情况变得更糟。由于为 L_b1 和 L_b2 使用了小数值电感器，iTCM 拓扑结构经常在较高的频率范围内运行，这会进一步增加对精确控制算法的需求。

交流压降解决方案

为了精确地确定是否存在交流输入，该解决方案使用虚拟交流输入信号来监控实际交流输入的完整性。通过测量输入电压幅度、频率和相位来生成此虚拟信号，因此在正常运行期间，它可以很好地跟踪实际交流输入的 50Hz 和 60Hz 分量。该系统可以比较实际输入与虚拟输入，从而轻松地识别是否存在交流输入电压。这两个信号之间的差值如果出现任何突然变化，则表明存在输入瞬态事件。此瞬态事件用于检测交流输入电压的损失和恢复。图 3 展示了虚拟交流输入以及发生压降事件期间的实际输入。

图 3: 交流输入压降与虚拟交流信号

图 4 展示了控制压降和恢复过程的状态机。在启动期间，系统会经历初始化周期（同步初始化），系统在这个过程中确定 RMS 输入电压幅度。它使用软件锁相环 (SPLL) 来确保 V_ac,virtual 的相位与 V_ac,actual 的相位匹配。锁定 SPLL（同步开启）后，处理器会监控 V_ac,actual/V_ac,virtual 之间的比率（请参阅图 3）。如果此比率小于目标阈值，则声明压降事件且开关立即停止（停止状态）。此时，系统会清除发生的任何故障并进入待机状态（就绪），在此状态下，系统会监控 V_ac,actual/V_ac,virtual 比率来确定该比率何时高于恢复阈值。状态机确定交流已恢复之后，它会立即恢复开关并重新同步 SPLL（恢复状态）。通过将 V_ac,actual/V_ac,virtual 比率与 SPLL 结合使用，该算法能够确定任何输入电压或频率下的交流压降和恢复时间。此外，由于该算法始终会监视 V_ac,actual/V_ac,virtual 比率，而基于电平的传统解决方案要检测交流输入电压何时变为零，因此它可以比传统解决方案更快响应。基于电平的压降监测会产生延迟，从而导致产生大的电流尖峰和明显的反向电流。

图 4: 交流压降和恢复状态机

结果

图 5 展示了在交流压降和恢复事件期间使用上述算法的两相 iTCM 图腾柱 PFC 的性能。60Hz 时的交流输入电压为 230V_RMS，输出电压为 400V。负载为恒流 5kW（400V、12.5A），会出现 20ms 的交流压降事件。为了对系统产生最坏情况应力，移除了交流电，使其在交流线路周期的峰值时重新接入。这是浪涌电流的最坏情况，因为当交流线路峰值超过 V_OUT 时，输入旁路二极管会导致大量浪涌电流进入输出电容器。

图 5 中的波形还提供事件恢复部分的放大图像。我们可以清楚地看到，PFC 开关电流得到良好控制，低于 GaN FETOCP 限制。最小的反向电流可防止 V_OUT 的不必要放电。此外，因为该算法能够轻松确定输入电压是高于还是等于输出电压，所以旁路二极管的导通间隔没有异常行为。

图 5: 5kW 时的交流压降和恢复性能

除了交流压降，该设计还提供低 THD、高效率、高功率密度和快速负载瞬态响应。