基于GaN的高效率1.6kW CrM圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)TIDA-00961 FAQ

作者： TI 工程師 Aki Li, Rayna Wang

高頻臨界模式 (CrM) 圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 是一種使用 GaN 設(shè)計(jì)高密度功率解決方案的簡(jiǎn)便方法。TIDA-00961 參考設(shè)計(jì)使用 TI 的 600V GaN 功率級(jí) LMG3410 和 TI 的 Piccolo? F280049 控制器。功率級(jí)尺寸 65 x 40 x 40mm，功率密度大于 250W/inch³；在 230V 交流輸入和滿(mǎn)載情況下效率可達(dá) 98.7%；功率因數(shù)>0.99，輸入電流THD小。此設(shè)計(jì)適用于多種空間有限的應(yīng)用，如服務(wù)器、電信和工業(yè)電源等應(yīng)用。同時(shí)硬件設(shè)計(jì)符合傳導(dǎo)發(fā)射、浪涌和 EFT 要求，可幫助工程師實(shí)現(xiàn) 80+ Titanium 規(guī)格。

TIDA-00961為工業(yè)界提供了一套前沿的解決方案，本 FAQ 旨在解決大量工程師在學(xué)習(xí)本參考設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題。

1. TIDA-00961的控制程序獲取途徑？

TIDA-00961所有的資料（包括原理圖和程序）已開(kāi)放，可在DigitalPower SDK中獲取，程序文件位置:

C:\ti\c2000\C2000Ware_DigitalPower_SDK_1_01_00_00\solutions\tida_00961\f28004x\pfc2philtrmttpl

DigitalPower SDK可通過(guò)官網(wǎng)下載安裝，其中還包含所有芯片的參考例程、最新的參考設(shè)計(jì)源代碼、powerSUITE設(shè)計(jì)工具等。(下載鏈接)

2. 參考方案的設(shè)計(jì)功率為1.6kW, 如果想應(yīng)用于更高的功率場(chǎng)合，有什么建議？

TIDA-00961滿(mǎn)載設(shè)計(jì)功率為1.6kW(high line 230V)、1.2kW( low line 110V)，主要是考慮到GaN 半橋功率板的設(shè)計(jì)功率，同時(shí)由于CrM控制模式下峰值電流為平均電流的兩倍，因此建議在CrM模式下，一個(gè)GaN 半橋功率板對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)功率為1kW，所以，本參考設(shè)計(jì)實(shí)際可工作在2kW的滿(mǎn)載功率(已通過(guò)實(shí)際測(cè)試)。若想將本方案應(yīng)用在更高功率的場(chǎng)合，例如3kW，可參考以下3種實(shí)現(xiàn)方式：

1) 采用多管并聯(lián)方式，例如通過(guò)雙管并聯(lián)將功率回路上的GaN引入的導(dǎo)通損耗降為原來(lái)的一半，從而可在不變拓?fù)浜涂刂品绞交A(chǔ)上提高功率；

2) 增加交錯(cuò)并聯(lián)的相數(shù)，例如，升級(jí)原兩相交錯(cuò)拓?fù)錇槿嘟诲e(cuò)并聯(lián)拓?fù)洌瑫r(shí)在控制上，將其他兩相的移相角度由180⁰改為120⁰和240⁰。

3) 目前方案采用的GaN是LMG3410(R_dson=70m?)，下一代GaN Polaris 即將推出（預(yù)計(jì)2019年上半年，目前可聯(lián)系TI 銷(xiāo)售團(tuán)隊(duì)進(jìn)行樣片申請(qǐng)），其擁有更低的導(dǎo)通電阻（R_dson=50m?），單管能承擔(dān)更大的功率，且與LMG3410管腳兼容，硬件拓?fù)浜蛙浖刂平詿o(wú)需變動(dòng)。因此，直接采用Polaris是提高系統(tǒng)功率的最簡(jiǎn)便方式。

3. 同樣使用 GaN實(shí)現(xiàn)高效率的PFC參考設(shè)計(jì)PMP20873是基于CCM模式的，方案采用CrM控制是出于什么考慮？

TI GaN LMG3410 避免了Si MOSFET的反向恢復(fù)問(wèn)題，因而可用于實(shí)現(xiàn)圖騰柱拓?fù)涞腃CM工作模式，可見(jiàn)參考設(shè)計(jì)PMP26873，但注意到該設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，如果想通過(guò)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提升功率密度，CCM的工作模式將會(huì)遇到瓶頸。雖然GaN的開(kāi)關(guān)損耗表現(xiàn)相比Si MOSFET 有優(yōu)勢(shì)，但具體來(lái)看（見(jiàn)圖 1），在硬開(kāi)關(guān)時(shí)其開(kāi)通損耗比關(guān)斷損耗高，一旦開(kāi)關(guān)頻率提高到幾百或MHz，開(kāi)關(guān)損耗的比重將大大提高。因此，通過(guò)采用CrM模式實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通（ZVS）為更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的功率密度提供了可能。

圖 1 硬開(kāi)關(guān)時(shí)GaN對(duì)應(yīng)的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗

4. 參考設(shè)計(jì)采用兩相交錯(cuò)的拓?fù)涞脑蚴鞘裁矗?/p>

1） 通過(guò)兩相交錯(cuò)并聯(lián)，系統(tǒng)的功率等級(jí)可以提升至原來(lái)的兩倍

2） 相比于兩相交錯(cuò)并聯(lián)，同等功率的單相電路在CRM模式下，電流有效值大，由于開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的峰值電流為平均電流的兩倍，因此電流波動(dòng)大，必然會(huì)增加線(xiàn)路和器件的導(dǎo)通損耗。通過(guò)交錯(cuò)并聯(lián)使得各相輸入電流或各相輸出電流的紋波相互抵消，大大改善了THD表現(xiàn)，對(duì)輸入差模濾波器以及輸出電容的大小要求降低了，同時(shí)紋波的減小也使得輸入濾波器以及輸出電容上的損耗減小。

5. 如何理解Phase shedding？

Phase shedding用于提高系統(tǒng)效率，當(dāng)負(fù)載變小時(shí)（小于設(shè)定的電流閾值），使能Phase shedding關(guān)閉第二相，從而提高系統(tǒng)在輕載時(shí)的效率。值得注意的是，需控制Phase shedding使能的時(shí)刻發(fā)生在電壓過(guò)零點(diǎn)的瞬間，此時(shí)環(huán)路中的能量最小，從而避免由于Phase shedding導(dǎo)致的電流的過(guò)沖或振蕩現(xiàn)場(chǎng)。

6. 在程序中，當(dāng)負(fù)載變大要加入第二相時(shí)，為什么要有g(shù)v_out = gv_out*(0.6)的處理？

0.6的系數(shù)處理上為了防止?jié)撛诘碾妷哼^(guò)沖問(wèn)題。在輕載情況下只有一相工作，此時(shí)若負(fù)載增大至超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，此時(shí)需要立即使能第二相，若此時(shí)第二相采用的占空比與第一相的前一時(shí)刻占空比一致，相當(dāng)于產(chǎn)生兩倍于之前的能量輸出，由于此時(shí)負(fù)載只是小幅增大，因此將導(dǎo)致很大的輸出電壓過(guò)沖。因此，理論上公式中的系數(shù)應(yīng)采用0.5，但考慮到實(shí)際負(fù)載仍在變大，采用0.6的系數(shù)較為合適。

7. 參考設(shè)計(jì)的PWM 頻率最高達(dá)1.2MHz，主要靠什么保證？

3） 寬禁帶半導(dǎo)體器件GaN使得MHz的開(kāi)關(guān)頻率成為可能，TI的 LMG3410內(nèi)置驅(qū)動(dòng)，最大程度上減小了環(huán)路寄生電感的影響，在高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作下依然能保持很低的損耗。

4） 在如此高頻的開(kāi)關(guān)下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)高效控制，依賴(lài)于TI的新一代C2000 MCU TMS320F28004x的優(yōu)異計(jì)算能力。100MHz的主頻，除了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，增加了三角函數(shù)運(yùn)算單元(TMU)，通過(guò)硬件加速，大大加快了除法、正余弦和均方根等復(fù)雜運(yùn)算的速度，從而保證了在高頻中斷內(nèi)環(huán)路控制、ZVS控制等算法的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，F(xiàn)28004x的Type 4 ePWM可實(shí)現(xiàn)占空比、周期、死區(qū)時(shí)間的高精度控制，在高頻開(kāi)關(guān)下保持控制的精確性和準(zhǔn)確度。

8. 高頻工作下兩相交錯(cuò)的控制如何保證一致而不出錯(cuò)？

本參考設(shè)計(jì)采用新一代的C2000 MCU TMS320F28004x，最新的Type 4 ePWM引入了一次加載和全局加載功能，保證了占空比、相位等寄存器基于同一設(shè)定事件同時(shí)更新，可避免潛在的在多相控制應(yīng)用中的相位控制出錯(cuò)問(wèn)題。

9. 開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到MHz，在EMI上是否有挑戰(zhàn)？

相比傳統(tǒng)的CCM模式下PFC應(yīng)用場(chǎng)合，本參考設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率最高達(dá)到MHz，同時(shí)采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)控制，理論上能大大減小差模濾波器的體積，但也注意到CrM模式是變頻控制，對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的要求會(huì)相應(yīng)提高；另一方面，GaN LMG3410可通過(guò)調(diào)整外部電阻大小靈活調(diào)整dv/dt，有助于改善EMI問(wèn)題。目前，本參考設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板正計(jì)劃交付EMI測(cè)試，我們會(huì)把測(cè)試結(jié)果盡快更新出來(lái)。

10. 程序中的controlISR 中斷頻率為50kHz，包含了大量運(yùn)算，該中斷運(yùn)行后剩余多少時(shí)間？

controlISR 中斷主要用于電流環(huán)控制、鎖相環(huán)的計(jì)算等，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試獲得該中斷所需運(yùn)行時(shí)間為12.4μs，CPU 帶寬占用約為60%，見(jiàn)圖 2。此外，控制程序還包含其他兩個(gè)中斷，分別是：頻率為10kHz的tenKHzISR ， 用于電壓環(huán)和phase shedding處理，所需運(yùn)行時(shí)間為20.8 μs；頻率為PWM 頻率的1/3 的pwmISR，用于ZVS 調(diào)整和移相同步控制，所需運(yùn)行時(shí)間為2.04 μs。由此可知，得益于F28004x優(yōu)異的計(jì)算能力，該控制系統(tǒng)的CPU 帶寬占用率比較低，仍能為額外的用戶(hù)功能提供足夠的裕度。

圖 2 系統(tǒng)中斷運(yùn)行所需時(shí)間

11. 原理圖中沒(méi)有OCP等保護(hù)電路，該保護(hù)功能怎么實(shí)現(xiàn)？

1） 本方案無(wú)需外部OCP電路，通過(guò)采樣輸入電流，直接利用F28004x片上的窗口比較器（CMPSS）同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的正負(fù)半周的OCP，不需經(jīng)過(guò)CPU的判斷處理，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)約60ns的快速保護(hù)能力。

2） 此外，TI GaN LMG3410內(nèi)部集成了OCP、OTP等保護(hù)功能，若功率回路出現(xiàn)過(guò)流，LMG3410能夠立刻關(guān)斷實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

12. 原理圖中PFC的boost電感為15uH，怎么避免在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的電流尖峰？

方案中的boost電感較小，即使很小的電壓也會(huì)引起快速的電流變化，尤其在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，易出現(xiàn)電流尖峰現(xiàn)象。因此，本設(shè)計(jì)在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)瞬間，由于采用軟啟動(dòng)控制，通過(guò)判斷輸入電壓的大小，利用狀態(tài)機(jī)控制GaN和MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)序，消除了過(guò)零點(diǎn)的電流尖峰，進(jìn)一步提升電流的THD。關(guān)于軟啟動(dòng)的具體原理可參考TIDM-1007參考設(shè)計(jì)說(shuō)明中的 2.4.4節(jié)

13. 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的功率管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間如何決定？

本系統(tǒng)的控制模式基于恒導(dǎo)通時(shí)間模式，控制系統(tǒng)由輸出電壓外環(huán)和輸入電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，開(kāi)通時(shí)間Ton主要取決于電壓環(huán)，同時(shí)引入電流內(nèi)環(huán)做微調(diào)優(yōu)化輸入電流的THD。關(guān)斷時(shí)間Toff根據(jù)伏秒平衡原理求得。

14. 硬件電路中哪些是ZVS檢測(cè)電路的有效部分？

答：我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中曾采用了多種實(shí)現(xiàn)ZVS的方式，目前有效的ZVS檢測(cè)信號(hào)為ZVS1_2和ZVS2_2。其中用于產(chǎn)生ZCD_OUTPUT1/2、ZVS1/2和CROSSOVER信號(hào)的電路是冗余的，已經(jīng)不再使用。

圖 3 冗余電路

15. 參考設(shè)計(jì)中是如何實(shí)現(xiàn)ZVS的？

參考設(shè)計(jì)通過(guò)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)ZVS：調(diào)整開(kāi)啟主工作管前的死區(qū)時(shí)間和調(diào)整續(xù)流管的導(dǎo)通時(shí)間，具體如下：

1) 調(diào)整開(kāi)啟主工作管前的死區(qū)時(shí)間

通過(guò)電路分析可得，當(dāng)續(xù)流管關(guān)閉，開(kāi)啟主工作管前，主工作管上的Vds電壓滿(mǎn)足：

其中,， , ,

當(dāng)輸入和輸出電壓滿(mǎn)足Vin<0.5Vout時(shí)，在主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)電感和開(kāi)關(guān)管寄生電容的諧振，Vds可以到達(dá)0，從而可以自然實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通ZVS。當(dāng)Vin>0.5Vout，Vds無(wú)法通過(guò)諧振到達(dá)0，若要實(shí)現(xiàn)全范圍的ZVS，則需要加入額外的控制算法。具體思路為在電感電流下降到０之后，提供一段時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）的負(fù)向電感電流Io，為諧振回路注入能量，使得Vds可以到達(dá)0。

在Vds降到0時(shí)，有

進(jìn)一步求得死區(qū)時(shí)間，

另外，當(dāng)Vin<0.5Vout時(shí)，對(duì)應(yīng)的死區(qū)時(shí)間為

2) 調(diào)整續(xù)流管的導(dǎo)通時(shí)間toff_calc

通過(guò)外部ZVS檢測(cè)電路，該電路用于檢測(cè)Vds的斜率（dv/dt），產(chǎn)生ZVS1_2作為F28004x片上的窗口比較器（CMPSS）的輸入信號(hào)。如果主工作管開(kāi)啟時(shí)刻產(chǎn)生較大的ZVS1_2，則通過(guò)CMPSS判斷出此時(shí)ZVS沒(méi)有實(shí)現(xiàn)（zvs_lost = 1），因而需在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期增加續(xù)流管的導(dǎo)通時(shí)間toff_calc；若判斷此時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZVS，則在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期減小續(xù)流管的導(dǎo)通時(shí)間，避免引入過(guò)多的負(fù)向電流影響系統(tǒng)效率，因此，這是一種動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制。此外，在程序計(jì)算toff_calc時(shí)，對(duì)于Vin>0.5Vout工況，toff_calc在伏秒平衡計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，也加入一段與輸入電壓大小正相關(guān)的延時(shí)時(shí)間，具體可見(jiàn)acSine_diff的計(jì)算。

16. 主工作管關(guān)斷到續(xù)流管開(kāi)通的死區(qū)時(shí)間是固定的么？

該死區(qū)時(shí)間對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的寄生電容和boost電感的諧振時(shí)間，在傳統(tǒng)的模擬控制中，一般采用固定的死區(qū)時(shí)間設(shè)置，而在一個(gè)輸入電壓AC周期內(nèi)，該諧振時(shí)間是變化的，因此，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的死區(qū)時(shí)間都不利于提高效率，同時(shí)易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)機(jī)不合適引起的振蕩問(wèn)題。本設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)死區(qū)控制，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都采用死區(qū)時(shí)間 ，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。

17. 系統(tǒng)能在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS嗎？

答：目前更新的程序中，可實(shí)現(xiàn)全范圍ZVS控制的工況為：Vin有效值小于 210V。當(dāng)

Vin有效值大于 210V時(shí)，目前沒(méi)有根據(jù)ZVS檢測(cè)調(diào)整續(xù)流管的導(dǎo)通時(shí)間(ZVS extension)，當(dāng)前代碼用于V2版本硬件電路，未來(lái)會(huì)優(yōu)化代碼，使ZVS extension在V3版本電路上可工作于210V以上。

18. 怎么理解SPLL_1PH_SOGI_FLL_run(&spll3,ac_vol_sensed)，鎖相環(huán)的用途是什么？

SPLL_1PH_SOGI_FLL_run作為C2000 官方庫(kù)函數(shù)功能之一，可通過(guò)DigitalPower SDK進(jìn)一步了解，具體用法和原理可參考文檔《 Digital Power Library USER’S GUIDE》，文件位置C:\ti\c2000\C2000Ware_DigitalPower_SDK_1_01_00_00\docs。

在本程序中，鎖相環(huán)對(duì)輸入電壓進(jìn)行頻率和相位檢測(cè)，目的在于：

1) 進(jìn)行正負(fù)半周開(kāi)狀態(tài)切換的時(shí)刻判斷；

2)在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行軟啟動(dòng)處理，使得過(guò)零點(diǎn)處的電流平緩過(guò)渡，避免電流毛刺的產(chǎn)生；

3)電壓相位對(duì)應(yīng)的正弦值用于計(jì)算電流環(huán)的電流給定值（ac_cur_ref_inst = ac_cur_ref*acSine ，ac_cur_ref為電壓環(huán)的輸出），用于電流環(huán)的準(zhǔn)確跟蹤；

19. 在程序中，控制電流環(huán)的語(yǔ)句gi_out=DCL_runPI_C1(&gi, SFRA_F_INJECT(ac_cur_ref_inst), ac_cur_sensed)，其中SFRA_F_INJECT(ac_cur_ref_inst)怎么理解？

本控制程序內(nèi)集成了Software Frequency Response Analyzer (SFRA)功能，工程師可直接利用本程序啟用SFRA功能在線(xiàn)獲得系統(tǒng)的環(huán)路帶寬等參數(shù)，無(wú)需增加任何硬件設(shè)備。一旦使能SFRA功能，SFRA_F_INJECT(ac_cur_ref_inst)代表的信號(hào)為在ac_cur_ref_inst基礎(chǔ)上疊加特定頻率的小信號(hào)干擾量。值得注意的是，SFRA功能是服務(wù)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段的工具，一旦系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試完畢，可去掉相應(yīng)的SFRA內(nèi)嵌代碼，釋放其占用的帶寬，具體可見(jiàn)SFRA的具體使用說(shuō)明。

20. 為什么說(shuō)明書(shū)給出的測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)工作在Pout = 800W(Vin = 230V)附近時(shí)，THD值會(huì)跳變？

圖 4 THD測(cè)試結(jié)果

由于該階段會(huì)發(fā)生相切（phase shedding）到相加（2^nd phase on）的變化，相加后每相所帶的負(fù)載值變小為原單相運(yùn)行時(shí)的一半。由于低負(fù)載時(shí)的THD要比高負(fù)載時(shí)差些，所以導(dǎo)致開(kāi)啟第二相時(shí)，THD的值會(huì)突然增加。