數(shù)字電源控制推進(jìn) GaN PFC 設(shè)計(jì)
我最近與您分享了TI 全新 Piccolo? F28004x 微控制器 (MCU) 系列的生產(chǎn)公告，該系列針對(duì)電源控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
Piccolo F28004x 用于高性能電源控制的主要特性包括：
· 片上窗口比較器。
· 具有斜率補(bǔ)償?shù)目删幊虜?shù)模轉(zhuǎn)換器。
· 高分辨率脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 一次性和全局重載功能可簡(jiǎn)化變頻交錯(cuò)式電源轉(zhuǎn)換器的實(shí)施。
· 可編程 PWM 消隱。
· 高分辨率 PWM 死區(qū)。
· 片上比較器和 PWM 定時(shí)器模塊之間的緊密耦合。
· 多個(gè)獨(dú)立的高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
· 具有可選并行控制律加速器的高性能浮點(diǎn)中央處理器。
兩個(gè)參考設(shè)計(jì)——交錯(cuò)式 CCM 圖騰柱無(wú)橋功率因數(shù)校正 (PFC) 參考設(shè)計(jì)和高效、1.6kW 高密度基于 GaN 的 1MHz CRM 圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)——展示了這些特性在實(shí)際系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。這些設(shè)計(jì)是圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 轉(zhuǎn)換器參考，非常適合用于電信、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 車(chē)載充電 (OBC) 的電源應(yīng)用。
參考電壓水平（交流輸入，400V直流輸出）和效率（+98.7%）相似，并使用相似的組件（600V 柵極驅(qū)動(dòng)器和氮化鎵 [GaN] 功率級(jí)）和特性（軟啟動(dòng)、自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間、相脫落）——但在實(shí)施中存在一些關(guān)鍵差異。
交錯(cuò)式連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 參考設(shè)計(jì)展示了一個(gè)三相交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖 1），以 100kHz PWM 進(jìn)行開(kāi)關(guān)，采用 CCM 操作。該技術(shù)通常用于 5kW 及以上需要在中等功率密度下實(shí)現(xiàn)高效率的應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率被限制在 200kHz 左右。
圖 1：用于交錯(cuò)連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 參考設(shè)計(jì)的 PFC 拓?fù)?/b>
圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)展示了一個(gè)兩相交錯(cuò)拓?fù)洌▓D 2），開(kāi)關(guān)在 1.2MHz PWM 的最大頻率下，具有臨界導(dǎo)通模式 (CRM) 操作。與 CCM 操作相比，CRM 模式避免了開(kāi)關(guān)損耗，并在更高的 PWM 頻率下實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的高效率。由于高頻，設(shè)計(jì)可以更小更密集，同時(shí)保持高效率。
圖 2：圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)的 PFC 拓?fù)?/b>
主要挑戰(zhàn)是在整個(gè)交流周期內(nèi)跨線路和負(fù)載條件實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)。當(dāng)輸入電壓增加到直流總線電壓值的一半以上時(shí)，這變得很困難，在這種情況下，您只能在沒(méi)有任何額外電流饋入電感器的情況下進(jìn)行谷底開(kāi)關(guān)。在谷底開(kāi)關(guān)和不完全 ZVS 操作的情況下，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的開(kāi)關(guān)損耗將隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而顯著增加。
在整個(gè) AC 周期內(nèi)延長(zhǎng) ZVS 操作的解決方案是延長(zhǎng)同步開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，使電感器中有一個(gè)負(fù)電流，這將使漏源電壓擺動(dòng)到零。圖 3 中描述了挑戰(zhàn)和解決方案。理論很簡(jiǎn)單，但在整個(gè)負(fù)載和運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)施起來(lái)非常具有挑戰(zhàn)性，并且依賴(lài)于 Piccolo F28004x 實(shí)時(shí)控制器的功能。
圖 3：CRM 與 CRC (ZVS) 技術(shù)
高效、1.6kW 高密度基于 GaN 的 1MHz CRM 圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)是真正的尖端技術(shù)，其實(shí)施和效率能力超出了電源客戶(hù)目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品。為了幫助您開(kāi)發(fā)類(lèi)似的產(chǎn)品，我們還提供了一套軟件工具來(lái)調(diào)整解決方案。用于 C2000? MCU的DigitalPower 軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK)支持這兩種參考設(shè)計(jì)。
該 SDK 是一套完整的軟件基礎(chǔ)設(shè)施、工具和文檔，旨在最大限度地縮短基于 C2000 MCU 的數(shù)字電源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。該軟件包括在 C2000 數(shù)字電源評(píng)估模塊 (EVM) 上運(yùn)行的固件和 TI 設(shè)計(jì)庫(kù)中的參考設(shè)計(jì)，并且是所有數(shù)字電源應(yīng)用的存儲(chǔ)庫(kù)。
DigitalPower SDK 中包含 powerSUITE，這是一個(gè)數(shù)字電源軟件設(shè)計(jì)工具包，其中包括以下組件：
· 解決方案適配器：自定義代碼示例以使用與 TI 解決方案相同的拓?fù)湓谑纠蜃远x硬件上運(yùn)行。
· 補(bǔ)償設(shè)計(jì)器：設(shè)計(jì)數(shù)字補(bǔ)償器以實(shí)現(xiàn)您所需的閉環(huán)性能。
· 軟件頻率響應(yīng)分析儀 (SFRA)：繪制和測(cè)量開(kāi)環(huán)增益（環(huán)路增益波特圖）和設(shè)備（功率級(jí)）頻率響應(yīng)，以評(píng)估和優(yōu)化數(shù)字電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性和魯棒性，如圖所示圖 4。
圖 4：PowerSUITE SFRA 工具顯示交錯(cuò)式 CCM 參考設(shè)計(jì)的 PFC 電壓環(huán)路響應(yīng)
我敢肯定，如果作為一名電源設(shè)計(jì)師，您已經(jīng)準(zhǔn)備好開(kāi)始了。玩得開(kāi)心，祝您好運(yùn)，并留意更多用于尖端電源控制的 TI 參考設(shè)計(jì)。
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