以高密度、GaN 最佳化 PFC 轉換器解決 AC 壓降復原問題

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德州儀器新聞稿發表於 2024年3月28日

圖、以高密度、GaN最佳化PFC轉換器解決AC壓降復原問題

簡介
數據中心伺服器電源供應裝置斷電會導致娛樂、金融交易甚至到家庭保全系統等一切全部停擺。開放式運算項目(OCP)的V2供電架規範等規定強調了使用穩健AC壓降控制演算法來減少伺服器停機時間的必要性。此外，由於使用傳統的連續導通模式控制，因此需要使用符合數據中心成本效益的解決方案，以在輕負載下以峰值效率改善功率因數校正(PFC)，同時縮減被動元件，也變得越來越困難。

為解決這個問題，TI開發出氮化鎵(GaN)高密度設計，採用雙相整合式三角電流模式(iTCM) PFC(圖1)。在高頻下運作的低值電感器可達到此設計的高效率(>99%)和功率密度(120W/in3 )。這種小型電感器在AC壓降復原方面存在獨特的問題，因為僅僅幾微秒的開關開啟時間就可能產生超過70A的開關電流。此外，任何時間上的延遲都會造成顯著逆電流，加重阻礙PFC復原。若要將電流位準維持在安全幅度並防止逆電流，就需要開發出AC壓降和復原問題的新解決方案。本文討論的解決方案具有實驗室驗證資料，這些資料是根據變頻、ZVS、5kW、GaN式、雙相圖騰柱PFC參考設計圖2列出主要元件和系統規格。

圖1: 具有電感器和電流包絡的iTCM拓撲結構

圖2: 具有電感器和電流包絡的iTCM拓撲結構

拓撲結構概覽
此拓撲結構使用兩個相位，相位差180°，並具有一個單一DC阻隔電容器Cb，利用兩相位架構提供的漣波電流消除，並降低Cb中的均方根(RMS)電流應力。Lb1和Lb2的尺寸適合處理TCM運作所需的高頻AC漣波電流，消除TCM所用電感器需要的DC偏壓負擔。在存在零電壓切換(ZVS)所需的高通量擺幅時，使用Lb1和Lb2的鐵氧體磁芯有助於確保低損耗。Lg1和Lg2的值大於Lb1和Lb2(約大10 倍)，這可防止大部分高頻率電流流入輸入來源，進而改善EMI。此外，Lg1和Lg2中的漣波電流減少，即可使用低成本的核心材料。圖1同時說明電感器和開關節點的漣波電流包絡。

AC壓降技術難題
我要介紹的第一個難題是，當AC輸入電壓消失時會產生逆電流。由於圖騰柱PFC拓撲結構的所有開關皆為雙向，作為同步整流器運作的FET在移除AC時，必須盡可能快速關機。關機可防止負電流產生，負電流會使輸出電壓放電，而減少可用的保持時間。圖3說明在正半週期中，產生此同步傳導間隔負電流的路徑。此外，關閉同步整流器時的任何重大延遲也會造成大電流突波，進而觸發過電流保護(OCP)。例如，如果同步整流器在沒有輸入電壓的情況下保持開啟，各位可以解出Vdc=Lb1 ⋅ dI1 dt產生70A電流，也就是2.5µs所需的時間量。這短短的時間會強烈影響AC壓降偵測識別問題並在系統來到OCP或造成損壞之前停止切換。

圖3: 同步整流器S21延遲關閉Vdc放電路徑

第二個難題是復原AC後恢復PFC運作。此事件的核心問題是因為PFC上的旁路二極體會將輸出電壓充電至輸入正弦波峰值，使輸出電壓降到此高峰值以下時最容易發生，尤其在高線路上。發生這些事件時，轉換器沒有停止電流的機制，因此會造成突波電流極大。事件期間控制開關不當會造成電感器飽和，引發OCP事件及進一步放電輸出電壓，使情況惡化。這段時間內需要精準的控制演算法，此需求再次因iTCM拓撲結構的高頻運作點以及用於Lb1和Lb2的小值電感器而倍增。

AC壓降解決方案
為了精準確定AC輸入是否存在，解決方案使用虛擬AC輸入訊號監測實際AC輸入的完整性。此虛擬訊號透過測量輸入電壓振幅、頻率和相位而產生，以便在正常運作過程中近乎完美地追蹤實際交流輸入的50和60Hz元件。透過比較實際輸入和虛擬輸入，系統可以輕鬆辨別是否存在AC輸入電壓。兩個訊號之間的差異如有任何突發變化，都表示發生輸入暫態事件。此暫態事件可用於偵測AC輸入電壓損失及復原狀況。圖3說明虛擬AC輸入以及壓降事件期間的實際輸入。

圖4: 有虛擬AC訊號的AC輸入壓降

圖4說明管理壓降和復原程序的狀態機。啟動時，系統會經過初始化週期(同步初始化)，RMS輸入電壓幅度於此期間確定。其會使用軟體鎖相迴路(SPLL)來確保Vac,virtual的相位與Vac,actual相符。一旦SPLL鎖定(同步開啟)，處理器將監控Vac,actual/Vac,virtual之間的比率(請參閱圖4)。如果此比率小於目標閾值，則系統會宣告中斷事件，切換會立即停止(停止狀態)。此時，系統將清除發生的所有故障並進入待機狀態(就緒)，在此狀態下，系統將監控Vac,actual/Vac,actual比率，以確定比率何時高於恢復閾值。一旦狀態機確定AC復原，其將立即恢復切換並重新同步SPLL(恢復狀態)。

將Vac,actual/Vac,actual比率搭配SPLL使用，演算法可以確定任何輸入電壓或頻率的AC壓降和復原時間。此外，由於演算法始終監控Vac,actual/Vac,actual比率，其能夠比傳統的位準型解決方案更快回應，後者會測AC輸入電壓何時歸零。壓降的位準型架構監控可能會產生延遲，造成大電流突波及顯著逆電流。

圖5: AC壓降和復原狀態機

結果
圖6說明在AC壓降和復原事件期間，以前述演算法執行雙相iTCM圖騰柱PFC的性能。在60Hz下，AC輸入電壓為230VRMS，輸出電壓為400V。負載為5kW(400V，12.5A)的恆定電流，並有20ms AC壓降事件。為了呈現系統最差情況下的應力，已將AC移除，使其在AC線路週期峰值時回流。這是最差的突入電流情況，因為當AC線路峰值超過VOUT時，輸入旁路二極管將導致輸出電容器中產生顯著的突入電流。圖6中的波形也提供事件恢復部分的放大圖像。明顯可見PFC開關電流受到良好控制且低於GaN FET OCP限制。盡可能減少逆電流可防止不必要的VOUT放電。此外，旁路二極體的傳導間隔並無異常行為，因為演算法能夠輕鬆判斷輸入電壓是否高於或等於輸出電壓。（1976字; 圖1)

圖6: 5kW下的AC壓降和恢復性能

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