無橋圖騰柱結構PFC電路結構設計與仿真

摘要：采用Cascode GaN器件作為開關管，SJ-MOS作為整流管，設計了一種4000W的單相圖騰柱結構電源PFC模塊。完成了整體框圖和拓撲結構，設計了電流環調節器，電壓環調節器，采用PSIM軟件完成系統仿真。采用數字處理器為核心搭建硬件，完成仿真，編程和整機調試，實現功能。

關鍵詞：PFC;圖騰柱結構;PSIM仿真

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0112-02

寬禁帶半導體氮化鎵（GaN） 器件與傳統硅（Si） 器件相比禁帶寬度更大，擊穿電場強度更高，載流子速度更快。Cascode GaN器件即可以實現器件常閉工作，同時方便將傳統Si器件的驅動電路直接應用于新型器。可以廣泛用于連續導電模式（CCM）升壓PFC拓撲的電源系統中，而相對于傳統Si器件。同條件下效率、溫升、BOM、體積方面體現出更大的優勢。而且圖騰柱結構的PFC電路中發揮其反向特性Qrr小，開關速度快等特點[1-2]。電路采用兩顆CASCODE的GaN器件和兩個MOSFET組成，兩顆CASCDE GaN器件作為PWM開關和升壓二極管用。兩個SJ-MOSFET作為正負半周的整流器件。分別在正負兩個半周導通和截至，替代傳統的二極管，體現出更高的效率。

1 電路功率部分

圖1是整個系統的電源部分，驅動部分，開關管部分。其中GaN1和GaN2作為PWM控制開關管，MOS1和MOS2作為同步整流管。C作為輸出電容，RL作為輸出等效電阻;L是輸入工作電感。Vin是輸入電源電壓;ISEN4是電感上電流傳感器。Voutsen作為輸出電壓傳感器;ON1-ON4作為功率管驅動電路，實現柵極驅動信號的保持狀態。ISEN_UP和ISEN_DOWN作為上下橋臂的電流傳感器，通過V45，V46顯示。高頻的PWM控制信號經過ON3和ON4形成CASCODE GaN器件的驅動信號，在每半個周期內，一個GaN器件作為PWM開關管，另一個作為續流二極管的功能，兩個GaN器件輪換角色，實現電感上的蓄能和釋放到輸出端，實現整DC-DC升壓轉換，兩個MOS管分別控制單個工頻周期每半個周期的電流通路，實現整流輸出[3]。

2 功率輔助功能部分

功率輔助部分實現初始化上電過程和小功率輕載狀態升壓過程。BD11是整流橋，將輸入電壓整流成直流直接送到輸出端。在控制系統沒有開始工作前，整流橋上電向輸出電容充電，輸出電壓上升到310V左右。COMP作為比較器，判斷輸入電壓的級性，正半周為0，負半周為1。C由COPM4，NOT2，NOT1，ON9，ON3，組成一個電路邏輯，由COMP4作為觸發信號，實現MOS的換相控制與驅動。實際電路實現過程采用比較器采集實際電壓，并由數字控制器完成相位控制，再由數字控制器控制驅動電路實現對MOS的開關。

VDC3=360V，通過比較器COMP4和輸出電壓做比較，當輸出電壓大于360V以上，比較器輸出1，通過或門后輸出1，將延遲器MONO輸出信號屏蔽。MONO作為延遲器，觸發信號為相位換相信號，延遲一個時間后，控制系統輸出信號做或運算后，去控制功率MOS。這樣在輸出電壓較低時，過0點不開啟任何MOS管。延遲后再開啟，仿真了系統死區設置。輕載狀態下，同時在輸出電壓較低時，由于過0點附近的點最先進入電流回流，所以將這些點的PWM屏蔽，防止電流回流，盡快將輸出電壓建立起來。

3 電壓環控制器部分

電壓環控制器，是一個閉環控制器，參考變量是Vref，經過ADC轉化和輸出電壓做減法。PA是電壓ADC轉換比例系數。通過LIMT3限幅后送電壓環PI調節器。電壓環調節器由P3，P16，UDELAY8和SUMP8，SUMP2組成。輸出信號限幅后，通過DIV1和輸入電壓有效值的平方求商后和輸入電壓實時值相乘后送入電流環[4]。我們增加一個PI調節器作為電壓環控制器，增加系統的截至頻率，使得低頻段增益提升，雙積分環節使得幅頻對數相應以-40dB/dec衰減，減少系統的穩誤差。增加一個零點[15.5rad/s]。延伸了中頻端，系統穿越頻率[WC=39rad/s].相位裕度是68.8deg，系統是穩定的。將截至頻率設置在10Hz以內，采用MATLAB計算PI調節器的[Kp]=[0.7849];[Ki=20726]。

[uk=Kpzek-Kizj=0ke（j）]

4 電流控制器部分

電流環輸入信號和電流檢測反饋變量通過LIMT_POWER4限幅后做減法。送電流環PI調節器。SUM1，P1，SUMP1，UDELAY4，P2，組成電流環PI調節器。輸出占空比D的增量，通過SUMP6和UDELAY6處理成占空比D，占空比D通過LIM1限幅后和VTR1做比較，輸出D的脈沖和電壓前饋輸出運算后去控制驅動開關管[5]。

[Kp]是比例環節參數，[Ki]是積分環節參數，調節中頻端截至頻率，采用MATLAB計算PI，將零點選在為[2566krad/s]，因此有[ KiKp=2556];? 設[Kp=0.7849]，所以[Ki=2014]。

電流環PI控制離散控制，[Kpz]是比例環節參數，[Kiz]是積分環節參數;因此有[Kpz=Kp]=[0.7849];[Kiz=Kif=0.03051]。

電流環PI控制采用增量式算法：

[?uk=Kpzek-ek-1+Kize（k）]

[?uk=（Kpz+Kiz）ek-Kpze（k-1）]

[?uk=Kp2ek-ek-1+Kp1e（k）]

5 電壓前饋控制器

由于圖騰柱結構PFC一直是出于CCM模式，在高頻狀態下，近似遵守伏秒平衡關系，所以圖騰柱可以增加電壓前饋來讓系統有更好的動態性能[6]。輸入電壓通過歸依法處理成ADC的值，再和P17相乘，P7是DUTY的滿格值，輸出電壓由P21歸一化成ADC值，通過DIV3求商后，再和VDC4的值做減法，VDC4是輸出DUTY的滿格值。

[DFUOUT-UINUOUT=DF*d=D]

[DF]是DUTY的滿刻度值，[UOUT]是輸出電壓，[UIN]是輸入電壓，[d]是占空比，[D]是占空實際輸出。

6 仿真結果

輸出功率P=4000W;輸入電壓Vin=220V;頻率：f=50Hz;輸出電壓：Vout=385V;功率電感：L=445Uh輸出電容：C=2200uF。

7 結束語

本文采用PSIM軟件開發環境，設計了一款無橋圖騰柱PFC電路結構，整個系統由功率部分，輔助檢測部分，以及電壓環，電流環，電壓前饋環組成，調整三環控制參數，實現輸出電壓385V，功率4000W輸出整個系統功能，通過仿真驗證系統設計的可行性，并實現整個系統的輕載啟動，輸出電壓紋波監控等性能監控，為整機系統搭建提供控制參數設計。

參考文獻：

[1] 張衛平.開關變換器的建模與控制[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 高金源.計算機控制技術[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2001.

[3]Pressman， Abraham I.Switching Power Supply Design[M].Mcgraw-hill，1997.

[4]云柯.數字控制的CCM Boost PFC變換器的實現方法[J].電氣工程， 2018，6（2）：199-205.

[5]馬建成，張慶賀，李萍，等.基于無橋Boost PFC的軟開關電路設計[J].電源技術，2021，45（7）：949-952.

[6]王會剛，鄧惠俊.無橋圖騰柱結構PFC小功率輕載狀態分析[J].電子元器件與信息技術，2020（4）：139-141.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：王會剛（1974—） ，男，陜西省寶雞市人，高級工程師，碩士，研究方向為集成電路系統集成方案設計和電源、電池、電機功率電子器件應用方案開發。