数字电源控制推进 GaN PFC 设计

我最近与您分享了TI 全新 Piccolo™ F28004x 微控制器 (MCU) 系列的生产公告，该系列针对电源控制应用进行了优化。

Piccolo F28004x 用于高性能电源控制的主要特性包括：

· 片上窗口比较器。

· 具有斜率补偿的可编程数模转换器。

· 高分辨率脉冲宽度调制 (PWM) 一次性和全局重载功能可简化变频交错式电源转换器的实施。

· 可编程 PWM 消隐。

· 高分辨率 PWM 死区。

· 片上比较器和 PWM 定时器模块之间的紧密耦合。

· 多个独立的高速高分辨率模数转换器。

· 具有可选并行控制律加速器的高性能浮点中央处理器。

两个参考设计——交错式 CCM 图腾柱无桥功率因数校正 (PFC) 参考设计和高效、1.6kW 高密度基于 GaN 的 1MHz CRM 图腾柱 PFC 转换器参考设计——展示了这些特性在实际系统中的优势。这些设计是图腾柱功率因数校正 (PFC) 转换器参考，非常适合用于电信、服务器和网络、工业和电动汽车 (EV) 车载充电 (OBC) 的电源应用。

参考电压水平（交流输入，400V直流输出）和效率（+98.7%）相似，并使用相似的组件（600V 栅极驱动器和氮化镓 [GaN] 功率级）和特性（软启动、自适应死区时间、相脱落）——但在实施中存在一些关键差异。

交错式连续导通模式 (CCM) 参考设计展示了一个三相交错式拓扑结构（图 1），以 100kHz PWM 进行开关，采用 CCM 操作。该技术通常用于 5kW 及以上需要在中等功率密度下实现高效率的应用。由于开关损耗，开关频率被限制在 200kHz 左右。

图 1：用于交错连续导通模式 (CCM) 参考设计的 PFC 拓扑

图腾柱 PFC 转换器参考设计展示了一个两相交错拓扑（图 2），开关在 1.2MHz PWM 的最大频率下，具有临界导通模式 (CRM) 操作。与 CCM 操作相比，CRM 模式避免了开关损耗，并在更高的 PWM 频率下实现了持续的高效率。由于高频，设计可以更小更密集，同时保持高效率。

图 2：图腾柱 PFC 转换器参考设计的 PFC 拓扑

主要挑战是在整个交流周期内跨线路和负载条件实现零电压开关 (ZVS)。当输入电压增加到直流总线电压值的一半以上时，这变得很困难，在这种情况下，您只能在没有任何额外电流馈入电感器的情况下进行谷底开关。在谷底开关和不完全 ZVS 操作的情况下，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的开关损耗将随着开关频率的增加而显着增加。

在整个 AC 周期内延长 ZVS 操作的解决方案是延长同步开关的导通时间，使电感器中有一个负电流，这将使漏源电压摆动到零。图 3 中描述了挑战和解决方案。理论很简单，但在整个负载和运行范围内实施起来非常具有挑战性，并且依赖于 Piccolo F28004x 实时控制器的功能。

图 3：CRM 与 CRC (ZVS) 技术

高效、1.6kW 高密度基于 GaN 的 1MHz CRM 图腾柱 PFC 转换器参考设计是真正的尖端技术，其实施和效率能力超出了电源客户目前市场上的产品。为了帮助您开发类似的产品，我们还提供了一套软件工具来调整解决方案。用于 C2000™ MCU的DigitalPower 软件开发套件 (SDK)支持这两种参考设计。

该 SDK 是一套完整的软件基础设施、工具和文档，旨在最大限度地缩短基于 C2000 MCU 的数字电源系统的开发时间。该软件包括在 C2000 数字电源评估模块 (EVM) 上运行的固件和 TI 设计库中的参考设计，并且是所有数字电源应用的存储库。

DigitalPower SDK 中包含 powerSUITE，这是一个数字电源软件设计工具包，其中包括以下组件：

· 解决方案适配器：自定义代码示例以使用与 TI 解决方案相同的拓扑在示例或自定义硬件上运行。

· 补偿设计器：设计数字补偿器以实现您所需的闭环性能。

· 软件频率响应分析仪 (SFRA)：绘制和测量开环增益（环路增益波特图）和设备（功率级）频率响应，以评估和优化数字电源控制环路的稳定性和鲁棒性，如图所示图 4。

图 4：PowerSUITE SFRA 工具显示交错式 CCM 参考设计的 PFC 电压环路响应

我敢肯定，如果作为一名电源设计师，您已经准备好开始了。玩得开心，祝您好运，并留意更多用于尖端电源控制的 TI 参考设计。