功率因数校正(PFC)在具有75W或者更大输入功率的AC/DC电源中得到了广泛的使用。PFC强制输入电流跟踪输入电压,以使任何电负载都看似一个纯电阻特性。在所有不同的PFC拓扑中,图腾柱PFC因为其所用的组件数量很少,具有很少的传导损耗,并且具有极高的效率,最近受到了更多的关注。由于MOSFET的体二极管反向恢复问题,因此图腾柱PFC通常不能工作于连续导通模式(CCM),当然,对功率结构的适当变型可以使Totem Pole PFC工作于CCM模式,但是由于增加了器件,效率受到一定影响。然而,随着氮化镓(GaN)FET的出现,其无体二极管的结构使得CCM图腾柱PFC成为可能。特别是图腾柱PFC特别适用于双向变换,其被广泛应用于车载充电器(OBC)。
下图是常规Totem Pole PFC拓扑图,Q1/Q2工作于高频开关,二极管D1/D2工作于工频周期。
但是在一般情况下,为了能提升效率以及实现双向变换的功能,将D1/D2更换为Si MOSEFET,在DCM或者TCM控制模式下,Q1和Q2可以是普通的Si MOSFET,但是在CCM模式下,Q1/Q2需要更换为GaN或者SiC。
在AC正半周工作如下(Q1/Q2为高频开关管,Q3/Q4为工频开关管,下同):
在AC负半周工作如下:
工作波形如下:
为了让Si MOSFET也能工作于CCM模式下,可以对拓扑结构进行适当的变形,如下图,具有如下优点:
- Q2/Q4为低压MOSFET(Vds=150V、75V), Q1/Q3为600V MOSFET,D1/D2为600V SiC二极管,通过这样的器件组合,MOSFET的体二极管将不参加工作,可以工作在CCM。适合中大功率设计。
- 由于低压MOSFET(Vds=150V、75V)的Rdson较小,对图腾柱无桥PFC的效率影响较小。
Totem Pole PFC CCM控制方式实施
在Totem Pole PFC有几个难点需要解决:
(1)输入电流在Vac过零点上具有较大的尖峰,造成过零电流畸变严重,此问题是Totem Pole PFC所固有的,而且非常的复杂;
为了解决(1)中过零电流尖峰过大的问题,Q1/Q2可以采用软起动的方式,如下:
比如在正半周,输入电压采样+1.5V偏置电压,在1.5V±Vth范围内所有的功率开关管关闭,当输入采样电压大于1.5V+Vth, Q2开始软起动,这个时候的占空比逐步放开,不受控制环路的控制(一般10-20Cycle),Q2软起动结束后的占空比开始由控制环路接手,同步管Q1同时进行软起动(与主开关管互补关系),Q4工频管在过零后由DCM切换到CCM处开通,控制Q4的PWM由IO口进行算法软件改写,只需要判断AC电压极性开通相应的工频管即可。负半周为同样的控制原理。
(2)在AC正半周期,Q4导通,若电网电压突变为一个负值,功率回路将形成短路,如何快速进行保护?
反向电流尖峰是由Vac电压跌落引起,它总是与Vac周期的极性相反。 也就是说正Vac产生负电流尖峰,负Vac产生正电流尖峰。 为了解决Vac跌落问题,控制器可以配置为负交流电时检测正的电流尖峰,同时正周期检测负的电流尖峰。 一旦检测到这样的尖峰,控制器就知道Vac产生跌落了,这个时候关闭所有的开关管。
Totem Pole PFC TCM控制方式
Totem Pole PFC为了可以使用Si MOSFET作为高频开关管,并且实现高效率,提出了一种TCM(Triangular Current Mode)的控制方式,可以将主开关管实现ZVS。比如Huawei 98% 3KW 高效率模块就是采用的此种控制方式。
比如在正半周(Vn>0.5Vout),工作原理是电感电流到达0A后,同步管Q2继续导通,由于输出电压高于输入电压,这个时候电感电流会反向,达到一定负值后,关断同步管,此时由于电感电流不能突变,继续是反方向,只是反方向减小,此时会将主开关管Q1 输出电容Coss能量抽走继而实现ZVS,唯一要确定的是反向电流要确保能将主开关管的输出电容能量全部抽走。此外,做TCM控制方法还有一个难点就是电流采样及控制(变频),华为已申请采开关管电流的专利。
Vn>0.5Vout时,需要有反向电流Ir(电流反向时间Tr)才能实现MOSFET的ZVS;因为电感电流到达0A后,Vds的谐振电压波谷无法到达0V.
Vn>0.5Vout电感电流波形
Vn≤0.5*Vout时,不需要有专门的反向电流,Vds就可以自然谐振到零,实现MOSFET的ZVS。
Vn≤0.5Vout电感电流波形
控制方案如下:
当然,由于电流波形是三角波形式,此特性注定需要采用多相交错的方式才能保证有比较好的纹波电流、电流指标等参数。故一般采取两相交错180°,可以达到比较高的性价比。
Interleaved Totem Pole PFC
DSP配置
如果是采样GaN作为主开关管的Totem Pole PFC工作于CCM,则需要将Q1/Q2配置为互补模式输出,工作模式可以配置为独立边沿或者推挽模式,PWM配置比较简单,难点在于过零电流尖峰的控制算法,CCM时PWM定频。
如果是TCM控制方式,PWM也是同样配置在互补或推挽模式,难点在于电流的采样以及负电流的峰值判断,同时由于TCM控制是变频算法,在过零点频率最高,所以在调制过程中既有占空比变化又有周期变化,都需要去更新。