HP1010

伴隨著氮化鎵和碳化硅等第三代半導(dǎo)體功率器件在應(yīng)用端的興起，圖騰柱PFC也隨之從學(xué)術(shù)研究走到了現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品里。然而，在受益于拓?fù)潆娐泛?jiǎn)潔，高功率密度和效率的同時(shí)， 還是有很多技術(shù)難點(diǎn)是需要克服的。本文將討論圖騰柱PFC電流采樣，以及慧能泰發(fā)布的數(shù)字控制圖騰柱PFC控制器HP1010的實(shí)測(cè)性能。

傳統(tǒng)升壓PFC電路中的電感電流檢測(cè)可以簡(jiǎn)單到單個(gè)分流電阻。在圖騰柱PFC中，電感電流檢測(cè)并不容易，主要需要解決：高壓隔離和快速保護(hù)兩大難點(diǎn)。如圖1和圖2， 電感電流采樣電路和輸出電壓供地， 所以需要隔離的電流采樣方案。當(dāng)前隔離電流采樣方案主要有3種：

霍爾效應(yīng)傳感器利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的變化，從而測(cè)量電流。精準(zhǔn)度一般通產(chǎn)在0.5%- 5%，功耗低在毫瓦級(jí)，支持雙向和直流采樣的優(yōu)點(diǎn)。但是傳感器面對(duì)磁場(chǎng)微弱變化帶來(lái)的采樣困難，需要通過(guò)放大信號(hào)和介質(zhì)材料兩個(gè)路徑來(lái)提高性能。這樣會(huì)導(dǎo)致體積問(wèn)題。圖騰柱拓?fù)涞膽?yīng)用中需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：低延時(shí)和高功率密度設(shè)計(jì)。交流電壓頻率一般在50 Hz – 60 Hz, 傳感器采樣速度需要滿(mǎn)足突發(fā)請(qǐng)發(fā)情況下（過(guò)流， 雷擊等），PFC功率管快速響應(yīng)， 通常在幾百KHz。為了滿(mǎn)足主開(kāi)關(guān)管的逐周期（CBC）過(guò)電流保護(hù)，較低的傳輸帶寬將影響電流采樣輸出的上升斜率，致使控制器無(wú)法及時(shí)對(duì)過(guò)電流進(jìn)行保護(hù)。因此，傳感器帶寬是霍爾傳感器的最大問(wèn)題。

差模電流采樣利用了基爾霍夫電流定律（KCL）和歐姆定律，根據(jù)電流在測(cè)量電阻中產(chǎn)生的電壓差來(lái)測(cè)量電流。電流方向通過(guò)比較參考和被測(cè)電流的差異來(lái)獲取。隔離運(yùn)放的調(diào)理電路相對(duì)復(fù)雜，需要占用PCB較大面積，且容易受到共模電壓干擾。其次隔離運(yùn)放的傳輸帶寬通常在幾百kHz，因此同樣影響逐周期電流保護(hù)的效果，高帶寬的隔離運(yùn)放的成本也是重要考慮因素。

感應(yīng)被測(cè)電流在次級(jí)線(xiàn)圈中產(chǎn)生的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的采樣。CT無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，并且可以低功耗測(cè)量大電流。相對(duì)隔離運(yùn)放和霍爾，低成本的CT即可具有相對(duì)最高的帶寬（~MHz），精度通常在0.1%-1%, 不易受到溫度影響。使用中要注意直流帶來(lái)的磁飽和以及線(xiàn)圈磁化后精度下降的問(wèn)題。圖騰柱拓?fù)淅铮琀P1010可以通過(guò)三個(gè)CT來(lái)重構(gòu)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完整的功率電感平均電流，從而實(shí)現(xiàn)功率因素校正。

圖 1：圖騰柱PFC電流采樣：霍爾（左） ; 隔離運(yùn)放（右）

圖 2：HP1010 CT 電流采樣

HP1010 采用電流互感器方案。這個(gè)方案力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)三個(gè)優(yōu)勢(shì)：

01

天然滿(mǎn)足隔離采樣

02

支持高頻開(kāi)關(guān)管逐周期電流保護(hù)（CBC）

03

慧能泰專(zhuān)利電路，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活

圖2中， CS1和CS2組合提供實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的電感平均電流信息，同時(shí)CS1集成了保護(hù)門(mén)限可編程的高性能模擬比較器，可以滿(mǎn)足圖騰柱拓?fù)淇刂评?，?duì)動(dòng)態(tài)過(guò)流，雷擊保護(hù)的訴求，如圖3測(cè)試證實(shí)。根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，CS2采樣可以靈活選擇電阻，或CT的方案。結(jié)合采樣信息，HP1010的高性能Sigma-delta ADC兼顧了高頻采樣，功耗，以及平均電流的計(jì)算。與峰值電流相比，平均電流的使用可以進(jìn)一步降低寬負(fù)載下總電流諧波失真（THDi），如圖4測(cè)試。

圖 3：HP1010雷擊測(cè)試，正半周期負(fù)向雷擊（左），負(fù)半周期正向雷擊（右）

圖 4：HP1010 600W參考設(shè)計(jì)THDi測(cè)試曲線(xiàn)

綜上所述， 本文主要討論了圖騰柱PFC應(yīng)用中常見(jiàn)的電流方案。三種方案，a)電阻加隔離運(yùn)放，b)電流互感器，c)霍爾傳感器，各有優(yōu)缺點(diǎn)，參考表1。

表 1：圖騰柱PFC常見(jiàn)電流采樣方案

工程師對(duì)某個(gè)方案的選取，需要考慮系統(tǒng)性能，器件參數(shù)，成本等多個(gè)因素。HP1010的測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)，圖騰柱拓?fù)湓谑斋@高效的同時(shí)， 可以安全可靠的運(yùn)行；結(jié)合特有的控制算法，電流互感器方案簡(jiǎn)潔靈活，并且CBC保護(hù)性能出色。事實(shí)上除了雷擊保護(hù)，HP1010還提供豐富完善的可編程保護(hù)功能，包括：浪涌過(guò)電壓保護(hù)、輸入電壓過(guò)壓/欠壓保護(hù)、輸出電壓過(guò)壓/欠壓保護(hù)、輸出反饋電壓開(kāi)路保護(hù)等。保護(hù)功能參數(shù)與使能均可獨(dú)立配置。I2C和UART通信接口使配置，通信簡(jiǎn)單靈活。所以，HP010廣泛應(yīng)用在空調(diào)和白色家電、高性能計(jì)算機(jī)、5G/ 電信電源、工業(yè)電源、超高密度 (UHD) 電源、帶有IGBT的PFC電源等系統(tǒng)。更多的細(xì)節(jié)可以訪(fǎng)問(wèn)：慧能泰半導(dǎo)體官網(wǎng)-數(shù)字能源/HyCtrl (hynetek.com)。

審核編輯：劉清