摘要：采用Cascode GaN器件作为开关管，SJ-MOS作为整流管，设计了一种4000W的单相图腾柱结构电源PFC模块。完成了整体框图和拓扑结构，设计了电流环调节器，电压环调节器，采用PSIM软件完成系统仿真。采用数字处理器为核心搭建硬件，完成仿真，编程和整机调试，实现功能。

关键词：PFC;图腾柱结构;PSIM仿真

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）11-0112-02

宽禁带半导体氮化镓（GaN） 器件与传统硅（Si） 器件相比禁带宽度更大，击穿电场强度更高，载流子速度更快。Cascode GaN器件即可以实现器件常闭工作，同时方便将传统Si器件的驱动电路直接应用于新型器。可以广泛用于连续导电模式（CCM）升压PFC拓扑的电源系统中，而相对于传统Si器件。同条件下效率、温升、BOM、体积方面体现出更大的优势。而且图腾柱结构的PFC电路中发挥其反向特性Qrr小，开关速度快等特点[1-2]。电路采用两颗CASCODE的GaN器件和两个MOSFET组成，两颗CASCDE GaN器件作为PWM开关和升压二极管用。两个SJ-MOSFET作为正负半周的整流器件。分别在正负两个半周导通和截至，替代传统的二极管，体现出更高的效率。

1 电路功率部分

图1是整个系统的电源部分，驱动部分，开关管部分。其中GaN1和GaN2作为PWM控制开关管，MOS1和MOS2作为同步整流管。C作为输出电容，RL作为输出等效电阻;L是输入工作电感。Vin是输入电源电压;ISEN4是电感上电流传感器。Voutsen作为输出电压传感器;ON1-ON4作为功率管驱动电路，实现栅极驱动信号的保持状态。ISEN_UP和ISEN_DOWN作为上下桥臂的电流传感器，通过V45，V46显示。高频的PWM控制信号经过ON3和ON4形成CASCODE GaN器件的驱动信号，在每半个周期内，一个GaN器件作为PWM开关管，另一个作为续流二极管的功能，两个GaN器件轮换角色，实现电感上的蓄能和释放到输出端，实现整DC-DC升压转换，两个MOS管分别控制单个工频周期每半个周期的电流通路，实现整流输出[3]。

2 功率辅助功能部分

功率辅助部分实现初始化上电过程和小功率轻载状态升压过程。BD11是整流桥，将输入电压整流成直流直接送到输出端。在控制系统没有开始工作前，整流桥上电向输出电容充电，输出电压上升到310V左右。COMP作为比较器，判断输入电压的级性，正半周为0，负半周为1。C由COPM4，NOT2，NOT1，ON9，ON3，组成一个电路逻辑，由COMP4作为触发信号，实现MOS的换相控制与驱动。实际电路实现过程采用比较器采集实际电压，并由数字控制器完成相位控制，再由数字控制器控制驱动电路实现对MOS的开关。

VDC3=360V，通过比较器COMP4和输出电压做比较，当输出电压大于360V以上，比较器输出1，通过或门后输出1，将延迟器MONO输出信号屏蔽。MONO作为延迟器，触发信号为相位换相信号，延迟一个时间后，控制系统输出信号做或运算后，去控制功率MOS。这样在输出电压较低时，过0点不开启任何MOS管。延迟后再开启，仿真了系统死区设置。轻载状态下，同时在输出电压较低时，由于过0点附近的点最先进入电流回流，所以将这些点的PWM屏蔽，防止电流回流，尽快将输出电压建立起来。

3 电压环控制器部分

电压环控制器，是一个闭环控制器，参考变量是Vref，经过ADC转化和输出电压做减法。PA是电压ADC转换比例系数。通过LIMT3限幅后送电压环PI调节器。电压环调节器由P3，P16，UDELAY8和SUMP8，SUMP2组成。输出信号限幅后，通过DIV1和输入电压有效值的平方求商后和输入电压实时值相乘后送入电流环[4]。我们增加一个PI调节器作为电压环控制器，增加系统的截至频率，使得低频段增益提升，双积分环节使得幅频对数相应以-40dB/dec衰减，减少系统的稳误差。增加一个零点[15.5rad/s]。延伸了中频端，系统穿越频率[WC=39rad/s].相位裕度是68.8deg，系统是稳定的。将截至频率设置在10Hz以内，采用MATLAB计算PI调节器的[Kp]=[0.7849];[Ki=20726]。

[uk=Kpzek-Kizj=0ke（j）]

4 电流控制器部分

电流环输入信号和电流检测反馈变量通过LIMT_POWER4限幅后做减法。送电流环PI调节器。SUM1，P1，SUMP1，UDELAY4，P2，组成电流环PI调节器。输出占空比D的增量，通过SUMP6和UDELAY6处理成占空比D，占空比D通过LIM1限幅后和VTR1做比较，输出D的脉冲和电压前馈输出运算后去控制驱动开关管[5]。

[Kp]是比例环节参数，[Ki]是积分环节参数，调节中频端截至频率，采用MATLAB计算PI，将零点选在为[2566krad/s]，因此有[ KiKp=2556];  设[Kp=0.7849]，所以[Ki=2014]。

电流环PI控制离散控制，[Kpz]是比例环节参数，[Kiz]是积分环节参数;因此有[Kpz=Kp]=[0.7849];[Kiz=Kif=0.03051]。

电流环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 电压前馈控制器

由于图腾柱结构PFC一直是出于CCM模式，在高频状态下，近似遵守伏秒平衡关系，所以图腾柱可以增加电压前馈来让系统有更好的动态性能[6]。输入电压通过归依法处理成ADC的值，再和P17相乘，P7是DUTY的满格值，输出电压由P21归一化成ADC值，通过DIV3求商后，再和VDC4的值做减法，VDC4是输出DUTY的满格值。

[DFUOUT-UINUOUT=DF*d=D]

[DF]是DUTY的满刻度值，[UOUT]是输出电压，[UIN]是输入电压，[d]是占空比，[D]是占空实际输出。

6 仿真结果

输出功率P=4000W;输入电压Vin=220V;频率：f=50Hz;输出电压：Vout=385V;功率电感：L=445Uh输出电容：C=2200uF。

7 结束语

本文采用PSIM软件开发环境，设计了一款无桥图腾柱PFC电路结构，整个系统由功率部分，辅助检测部分，以及電压环，电流环，电压前馈环组成，调整三环控制参数，实现输出电压385V，功率4000W输出整个系统功能，通过仿真验证系统设计的可行性，并实现整个系统的轻载启动，输出电压纹波监控等性能监控，为整机系统搭建提供控制参数设计。

参考文献：

[1] 张卫平.开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2] 高金源.计算机控制技术[M].北京：中央广播电视大学出版社，2001.

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

[4]云柯.数字控制的CCM Boost PFC变换器的实现方法[J].电气工程， 2018，6（2）：199-205.

[5]马建成，张庆贺，李萍，等.基于无桥Boost PFC的软开关电路设计[J].电源技术，2021，45（7）：949-952.

[6]王会刚，邓惠俊.无桥图腾柱结构PFC小功率轻载状态分析[J].电子元器件与信息技术，2020（4）：139-141.

收稿日期：2021-08-23

作者简介：王会刚（1974—） ，男，陕西省宝鸡市人，高级工程师，硕士，研究方向为集成电路系统集成方案设计和电源、电池、电机功率电子器件应用方案开发。