在本文中，我将研究服务器 5 kW 功率因数校正器 (PFC) 内使用的控制方法。该设计使用高性能 GaN FET 以的实用频率运行电源。该电源还采用了一种新颖的控制技术，可以从 GaN FET 中提取更多性能。终结果是具有更高功率密度的高效率、小尺寸设计。
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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。

　　图 1基本图腾柱 PFC 拓扑，其中 S 1和 S 2是高频 GaN ，S 3和 S 4是低频开关 Si MOSFET。资料德州仪器S 1和S 2是高频GaN 开关，工作频率在70 kHz 到1.2 MHz 之间。S 3和S 4是在线路频率（50 至60 Hz）下工作的低频开关硅MOSFET。

　　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。

　　图 4负半周期电感电流充电间隔。资料德州仪器图 5负半周期电感放电间隔。资料德州仪器零电压开关
　　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

　　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) 来完成项任务 [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：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。

　　图 9具有 GaN FET V DS、电感器电流和控制信号的谐振过渡状态平面解决方案，以及时域图和状态平面图。资料德州仪器在图 9 的状态平面图中：
　　“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显示了应用频率太低（左）、理想（中）和太高（右）时的工作波形。您可以看到，仅当应用频率处于理想值时，两个 ZVD 信号才会出现；因此，改率直到两个 FET 实现 ZVD 将揭示理想的工作点。
　　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 11两相 5 kW 基于 GaN 的 PFC，具有应用算法所需的硬件，以实现更高的频率并提高整体解决方案的效率。资料德州仪器表 1列出了设计示例的规格。
　

　　图 12显示了两相的电感器电流波形（I LA和 I LB）和 GaN FET V DS波形（V A和 V B）。这些图处于全功率状态，说明了三种不同的操作条件。在每种情况下，您都可以看到 ZVS 和正弦电流包络。所有三个图的条件均为 V IN = 230V RMS、V OUT = 400V、P = 5kW 以及 200V/p、20A/p 和 2μs/p。
　　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