在高密度GaN優(yōu)化型PFC轉(zhuǎn)換器中解決交流壓降恢復問題

歡迎再次來到我們的技術專欄——模擬芯視界。在上一期中，我們介紹了 EMI（特別是輻射發(fā)射）的來源，以及一系列旨在減少模擬信號鏈的 EMI 的技術，包括詳細的布局示例和測量結(jié)果。

本次為大家?guī)淼氖?strong>《在高密度 GaN 優(yōu)化型 PFC 轉(zhuǎn)換器中解決交流壓降恢復問題》。本文利用基于變頻、ZVS、5kW、基于 GaN 的兩相圖騰柱 PFC 參考設計的實驗室驗證數(shù)據(jù)來討論交流壓降和恢復問題的解決方案。

引言

數(shù)據(jù)中心服務器電源單元斷電會導致從娛樂到金融交易再到家庭安防系統(tǒng)的所有方面發(fā)生中斷。諸如開源計算項目 (OCP) 中的 V2 電源架規(guī)范等各種規(guī)范突顯出需要使用穩(wěn)健的交流壓降控制算法來減少服務器停機時間。此外，在傳統(tǒng)的連續(xù)導通模式控制中，數(shù)據(jù)中心需要具有成本效益的解決方案來提高功率因數(shù)校正 (PFC) 輕負載和峰值效率，同時縮小無源器件，這變得越來越困難。

為了解決這個問題，德州儀器使用兩相集成三角電流模式 (iTCM) PFC 開發(fā)了基于氮化鎵 (GAN) 的高密度設計（圖 1）。在高頻下運行的低值電感器使得此設計可實現(xiàn)高效率 (>99%) 和高功率密度 (120W/in3)。這些小型電感器在交流壓降恢復過程中存在一個獨特的問題，即只有幾微秒的開關導通時間也可能會產(chǎn)生超過 70A 的開關電流。此外，時序中的任何延遲也會導致出現(xiàn)明顯的反向電流，從而進一步加劇 PFC 的恢復問題。要將電流水平保持在安全水平并防止反向電流，需要開發(fā)一種新的解決方案來解決交流壓降和恢復問題。本文利用基于變頻、ZVS、5kW、基于 GaN 的兩相圖騰柱 PFC 參考設計的實驗室驗證數(shù)據(jù)來討論此解決方案，表 1 列出了主要元件和系統(tǒng)規(guī)格。

圖 1:采用電感器和電流包絡的 iTCM 拓撲

表 1 : 采用電感器和電流包絡的 iTCM 拓撲

拓撲概述

該拓撲使用兩個以 180° 異相運行的相位，使用單個直流阻斷電容器 Cb，利用兩相架構(gòu)提供的紋波電流消除，并降低 Cb 中的均方根 (RMS) 電流應力。調(diào)整 Lb1 和 Lb2 來處理 TCM 運行所需的高頻交流紋波電流，從而消除 TCM 中使用的電感器所需的直流偏置負擔。為 Lb1 和 Lb2 使用鐵氧體磁芯，確保在存在零電壓開關 (ZVS) 所需的高磁通擺幅的情況下具有低損耗。Lg1 和 Lg2 的值大于 Lb1 和 Lb2（約大 10 倍），可防止大部分高頻電流流入輸入源，進而改善 EMI。此外，由于 Lg1 和 Lg2 中的紋波電流較低，因此可以使用成本更低的磁芯材料。圖 1 還顯示了適用于電感器和開關節(jié)點的紋波電流包絡。

交流壓降技術挑戰(zhàn)

要強調(diào)的第一個挑戰(zhàn)是，在交流輸入電壓消失時會生成反向電流。由于圖騰柱 PFC 拓撲中的所有開關都是雙向的，因此在去除交流電源時，必須盡快關斷作為同步整流器運行的 FET。這種關斷可防止產(chǎn)生負向電流，從而避免輸出電壓的放電，并減少可用的保持時間。圖 2 展示了在正半周期內(nèi)為同步導通間隔生成此負向電流的路徑。此外，關斷同步整流器過程中出現(xiàn)任何較大延遲也會導致出現(xiàn)一個大電流尖峰，該電流尖峰會激活過流保護 (OCP)。例如，如果同步整流器在沒有輸入電壓時保持導通，則您可以解算在生成 70A 電流所花的時間（即 2.5μs）內(nèi)的

這么短的時間會給交流壓降檢測帶來一個重大問題，因為在系統(tǒng)觸發(fā) OCP 或造成損壞之前，交流壓降檢測需要及時識別問題并停止開關操作。

圖 2: 同步整流器 S21 延遲關斷 Vdc 放電路徑

第二個挑戰(zhàn)是，在恢復交流電后恢復 PFC 的運行。此事件的核心問題來自這樣一個事實：PFC 上的旁路二極管將輸出電壓充電至輸入正弦波的峰值，當輸出電壓降至遠低于這個峰值時，在高壓線路上最容易發(fā)生這種情況。在此類事件期間，轉(zhuǎn)換器沒有用于停止電流的機制，從而使浪涌電流變得非常大。在此類事件期間，如果不恰當?shù)乜刂崎_關，則會使電感器飽和、觸發(fā) OCP 事件并進一步使輸出電壓放電，從而使情況變得更糟。由于為 Lb1 和 Lb2 使用了小數(shù)值電感器，iTCM 拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常在較高的頻率范圍內(nèi)運行，這會進一步增加對精確控制算法的需求。

交流壓降解決方案

為了精確地確定是否存在交流輸入，該解決方案使用虛擬交流輸入信號來監(jiān)控實際交流輸入的完整性。通過測量輸入電壓幅度、頻率和相位來生成此虛擬信號，因此在正常運行期間，它可以很好地跟蹤實際交流輸入的 50Hz 和 60Hz 分量。該系統(tǒng)可以比較實際輸入與虛擬輸入，從而輕松地識別是否存在交流輸入電壓。這兩個信號之間的差值如果出現(xiàn)任何突然變化，則表明存在輸入瞬態(tài)事件。此瞬態(tài)事件用于檢測交流輸入電壓的損失和恢復。圖 3 展示了虛擬交流輸入以及發(fā)生壓降事件期間的實際輸入。

圖 3: 交流輸入壓降與虛擬交流信號

圖 4 展示了控制壓降和恢復過程的狀態(tài)機。在啟動期間，系統(tǒng)會經(jīng)歷初始化周期（同步初始化），系統(tǒng)在這個過程中確定 RMS 輸入電壓幅度。它使用軟件鎖相環(huán) (SPLL) 來確保 Vac,virtual 的相位與 Vac,actual 的相位匹配。鎖定 SPLL（同步開啟）后，處理器會監(jiān)控 Vac,actual/Vac,virtual 之間的比率（請參閱圖 3）。如果此比率小于目標閾值，則聲明壓降事件且開關立即停止（停止狀態(tài)）。此時，系統(tǒng)會清除發(fā)生的任何故障并進入待機狀態(tài)（就緒），在此狀態(tài)下，系統(tǒng)會監(jiān)控 Vac,actual/Vac,virtual 比率來確定該比率何時高于恢復閾值。狀態(tài)機確定交流已恢復之后，它會立即恢復開關并重新同步 SPLL（恢復狀態(tài)）。通過將 Vac,actual/Vac,virtual 比率與 SPLL 結(jié)合使用，該算法能夠確定任何輸入電壓或頻率下的交流壓降和恢復時間。此外，由于該算法始終會監(jiān)視 Vac,actual/Vac,virtual 比率，而基于電平的傳統(tǒng)解決方案要檢測交流輸入電壓何時變?yōu)榱?，因此它可以比傳統(tǒng)解決方案更快響應。基于電平的壓降監(jiān)測會產(chǎn)生延遲，從而導致產(chǎn)生大的電流尖峰和明顯的反向電流。

圖 4: 交流壓降和恢復狀態(tài)機

結(jié)果

圖 5 展示了在交流壓降和恢復事件期間使用上述算法的兩相 iTCM 圖騰柱 PFC 的性能。60Hz 時的交流輸入電壓為 230VRMS，輸出電壓為 400V。負載為恒流 5kW（400V、12.5A），會出現(xiàn) 20ms 的交流壓降事件。為了對系統(tǒng)產(chǎn)生最壞情況應力，移除了交流電，使其在交流線路周期的峰值時重新接入。這是浪涌電流的最壞情況，因為當交流線路峰值超過 VOUT 時，輸入旁路二極管會導致大量浪涌電流進入輸出電容器。

圖 5 中的波形還提供事件恢復部分的放大圖像。我們可以清楚地看到，PFC 開關電流得到良好控制，低于 GaN FETOCP 限制。最小的反向電流可防止 VOUT 的不必要放電。此外，因為該算法能夠輕松確定輸入電壓是高于還是等于輸出電壓，所以旁路二極管的導通間隔沒有異常行為。

圖 5: 5kW 時的交流壓降和恢復性能

除了交流壓降，該設計還提供低 THD、高效率、高功率密度和快速負載瞬態(tài)響應。