图腾柱 PFC 设计与实时验证

核心要点

• 采用图腾柱PFC可消除二极管桥的损耗，但这种节能效果仅在控制器于每次交流零交叉点管理角色切换时才成立。
• 零交叉失真是一个时序和序列问题，可通过消隐、渐变重启以及精确的极性检测来解决。
• 通过具有开关级分辨率的实时测试，您可以在硬件面临风险之前，将恶劣的线路工况模拟出来，并对实际控制器进行反复测试。

只有当PFC的图腾柱结构在交流电过零点时其控制保持稳定，才能获得效率提升。

服务器电源、充电器和工业驱动器的电源设计都从功率因数校正级开始，而该级别的损耗会随着后续每千瓦的功率成比例增加。仅数据中心在2023年就消耗了美国总用电量的约4.4%，因此前端每回收0.1个百分点的功率因数都至关重要。通过宽禁带开关取代二极管桥，可回收超过0.1个百分点的功率因数，但这也会给控制器带来更大的挑战。

该任务发生在一个宽度仅为几百微秒的窗口内，每行周期两次。开关角色互换，占空比在两个极端之间摆动，此时极性测量的可靠性最低。应首先将图腾柱式转换器视为一个控制问题，其次才是拓扑结构问题。只有在有针对性地设计和测试零交叉点时，才能充分发挥其性能。

图腾柱式PFC与升压式PFC的区别在于

图腾柱式PFC与传统升压式PFC的主要区别在于二极管桥。升压式PFC通过四个二极管对输入电压进行整流，然后利用一个开关来调节电流。图腾柱式PFC则省去了二极管桥，而是利用两个半桥支路在单级内同时完成整流和升压。

以230 V线路上的一个3.3 kW电源模块为例进行说明。该模块的均方根电流约为14 A，而桥式整流电路中总有两个二极管处于导通状态。假设每个二极管的电压约为1 V，则产生的热量接近26 W，约占总输出功率的0.8%。服务器电源的最高能效等级要求在半负载时效率达到96%，这意味着设备中的各项损耗合计占4%。

仅这座桥就将耗费该预算的五分之一。图腾柱式电路将其替换为：一条高速腿以高频切换，另一条慢速腿以线频切换。

“你失去的是简单性，因为现在故障排除要依赖于你的固件。”

为什么宽禁带开关使连续导通工作成为可能

宽禁带开关使图腾柱式转换器在千瓦级应用中成为可能，因为它们的反向恢复电荷极小或几乎为零。连续导通会迫使一条快速支路开关导通，而另一条支路此时仍通过反向路径承载电感电流。硅MOSFET的本体二极管会存储过多的电荷，导致这种换流既无法高效进行，也不安全。

设想一下，当开关频率为65 kHz且电感中流过20 A电流时的情况。对于硅超结器件，本体二极管的恢复电流会在每个周期内叠加到负载电流上，由此产生的损耗和电压应力会随频率增加而增大。氮化镓晶体管没有本体二极管需要恢复，而碳化硅MOSFET仅需恢复极小部分的电荷。其代价是边沿速度。 更快的上升沿和下降沿缩短了控制器正确处理每次状态转换所需的时间。

图腾柱式PFC控制如何处理每个半周期

图腾柱式PFC控制采用与升压式PFC相同的外电压环路和内电流环路，此外还包含一个用于分配开关角色的极性信号。在正半周期间，一条快速支路中的开关充当升压开关，其配对开关则充当同步整流器；在负半周期间，两者的角色则互换。

以正半周为例。低侧快速开关对电感进行充电，高侧快速开关将该能量释放至总线，而低侧慢速开关保持导通状态，将电流回流至线路。一旦极性反转，高侧快速开关便成为升压开关，而高侧慢速开关则承担回流路径。

占空比随波形变化。当输入电压接近零时，有源开关需要接近100%的占空比。因此，在每次过零点，原本几乎始终导通的开关会转变为整流器，并必须几乎始终处于截止状态。

升压型PFC中的任何部分都不像那个步骤。电流环和调制器必须就该事件发生的瞬间达成一致，而它们都依赖于信号最小时刻测得的极性读数。

图腾柱转换器中零交叉失真的成因是什么

图腾柱转换器中的过零点失真源于角色交换发生在错误的时刻或过于突然。电感器会短暂地承受总线全电压和电流尖峰。其结果是，每周期在线电流上出现两次凹口或尖峰。

假设有一条400 V的母线和一个200 µH的电感器，以此为例说明。如果慢相翻转时，快相的占空比仍接近100%，则母线两端跨接在电感器上，电流以每微秒2 A的速率上升。如果极性检测器延迟了5 µs，就会在原本应经过零点的波形上产生一个10 A的尖峰。

检测反而会使情况恶化。测量偏移、滤波器延迟以及快速开关沿产生的噪声，都会使检测到的越界点偏离真实位置，而电流环积分器此时仍保持着上一个半周期的值。每次尖峰都会增加谐波失真，并给电磁干扰滤波器带来负担。

可抑制过零点电流尖峰的设计方案

当将该过渡视为一个顺序事件时，零交叉尖峰会减小。在交叉点之前停止快速支路，等待一个短暂的消隐间隔，切换慢速支路，然后以占空比从窄脉冲逐渐升至设定值的方式重新启动快速支路。

一种常见的处理序列是在检测到过零点前后，将四个门电路全部置空几十微秒。若置空时间过长，会导致电流曲线中出现平坦段；若置空时间过短，则会使电流尖峰重新出现，因此该时间窗口的设定需要根据每种线电压和负载情况进行调整。

如何实时验证图腾柱转换器

当您将实际控制器与能够解析单个开关操作的仿真功率级配合运行时，即可对图腾柱转换器进行实时验证市场活动 。硬件在环测试使您能够在故障和线路扰动条件下重复进行数千次零交叉测试，而这些情况在原型机上模拟则风险过高。

分辨率决定了测试的精度。在100 kHz时，一个开关周期持续10 µs，而步长为1 µs的模型仅能将其分为10个片段。在这种步长下，100 ns的死区时间几乎可以忽略不计，而粗糙的图腾柱PFC仿真 恰恰掩盖了你原本想要观察的行为。 OPAL-RT在基于FPGA的仿真器 上运行转换器模型，因此图腾柱开关过程可通过零交叉点进行实时建模。

一份实用的测试计划应涵盖那些在实验室测试中往往会被忽略的测试用例。

• 线路电压的跌落和升高现象出现在交叉点处
• 47 Hz 至 63 Hz 之间的频率步长
• 具有重复过零点的平顶线电压
• 轻载运行，此时电流呈间歇性
• 注入极性信号中的传感器偏移和延迟

每次固件更新后，每个用例都会以完全相同的方式重复执行，因此，周一调试好的消隐窗口可以在周五的构建之前进行回归测试。

在程序中，严格的零交叉测试为何能带来回报

严格执行零交叉测试是值得的，因为它所预防的故障往往代价高昂。如果在仿真 中发现电流尖峰，只需修改固件即可解决；但如果在符合性测试中或故障的现场设备中发现同样的尖峰，则需要修改电路板、导致进度延误，并会动摇团队的部分信心。

“在仿真 中发现的电流尖峰问题，只需更新固件即可解决。”

遇到这种拓扑结构问题的团队，很少是因为选错了开关。更多时候，他们是在某一条线电压下对一个原型机的交叉点进行了调校，随后却遇到了栅极信号微弱或冷启动等情况，导致时序发生偏移。可靠的产品与脆弱的产品之间的区别在于：控制器在出厂前经历过多少次交叉点测试，以及这些测试条件设置得有多严苛。

将控制器置于一个能如实反映切换情况的模型前，故意引发交叉故障，并保留相关证据。OPAL-RT为此类工作构建了实时仿真 ，因此线路循环中最脆弱的几百微秒也能像其他部分一样得到彻底测试。