在本系列的部分中，我们简要介绍了多级图腾柱 PFC 拓扑及其如何在服务器应用中提高功率密度。在本文的第二部分中，我们将深入探讨此类解决方案的设计细节，并展示一个 240 VAC 输入至 400 V DC 输出、5 kW PFC 系统的实验结果。

图 1 显示了 PFC 转换器的框图，包括输入 EMI ，其中包含限流电路，主要 PFC 转换器阶段和输出电容组。

图 1. PFC 转换器的框图。图片来自 Bodo’s Power Systems 

 设计概述

ORV3 标准[1]规定并推动了物理设计，因为需要在 40 毫米高度和 70 毫米宽度的窗口内，长度多为 630 毫米。该单元的一端用于电网输入，另一端用于直流输出。

设计的步是识别的组件，以便规划解决方案的布局，在此设计中，这些组件是输出大容量。它们的选择对于满足电气规范和机械匹配都至关重要。此外，限制组装步骤的数量，这将有助于保持生产成本较低。在此设计中，选择了短而垂直、可安装的电容器，这些电容器不需要弯曲引线或垂直安装接口板。总共需要五个电容器，每个电容器的直径为 30 毫米，高度为 35 毫米。

设计的第二个考虑因素是 EMI 滤波器。这是设计中一个至关重要的部分，必须分配在电磁“安静”的区域，才能有效工作。它通常位于转换器的前端，因此可以与被认为是电磁“安静”的大容量电容器共享空间。

设计中的一个大型电路是转换器阶段，这将不可避免地位于输出区域。设计的这一部分是利用剩余的空间和体积来适应电路的地方，可以发挥一定的创造力。

除了分配电路和功能区域外，设计还必须确定冷却路径。主要有两种冷却方式，1）通过整个单元的强制空气冷却，2）侧壁冷却，主要依靠机箱散热。这迫使一些较大的半导体器件放置在板子的外部，以便更容易接触到侧壁。

 实验系统

如图 2 所示，设计、制作并测试了一个 5 kW 的实验单元。该组装包括四块电路板：a) 一块带有 EMI 滤波器、大容量电容、涌流限制电路和辅助电源的母板，b) 一块多级 GaN 卡，c) 一块飞容和控制接口卡，以及 d) 一块控制器卡（来自 Microchip 的 dsPIC33CK）。

图 2. 5 kW 多级图腾柱转换器 EPC91107KIT 组件的照片。图片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems 

240 V AC_RMS ，50/60 Hz 的电网连接在电路板的左侧，400 V DC 的负载连接在电路板的右侧（图 2 中不可见）。设计的是多级 GaN 卡。这是电路板上复杂的部分，包括高频桥和低频桥。图 3 显示了 GaN 卡的详细情况，其中特定的电路和组件被突出显示。选择的高频率 GaN FET 是 200 V 额定，3.5 mΩ典型 R DSon ，EPC2304 [2]。选择了微型隔离电源 [3] 来为门驱动器供电，并且与单个隔离门驱动器一起，显著降低了该设计的复杂性和操作。

图 3. 多级氮化镓卡的照片，照片中突出显示了各种组件和电路。图片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems 

GaN 卡的尺寸仅为 92.5 mm x 38.5 mm，并包含所有所需的测量反馈电路以运行转换器。

4 级转换器只需要 13.8 μH 的总 PFC 电感即可实现与 2 级转换器中 130 μH 的 PFC 电感相同的纹波电流。这种低电感使得可以使用标准的现成电感器。在此设计中，PFC 电感被分为两个分别为 7.5 μH 和 6.2 μH 的独立电感 [4]，并选择它们具有的总占位面积。这些电感有不同的自谐振频率（SRF），分别为 29 MHz 和 25 MHz，这足以确保开关的高 dv/dt 无法轻易传递到输入端，而 EMI 滤波器需要对其进行衰减。

低 PFC 电感导致更高的电流环路响应，需要高频带宽电流。在此设计中，选择了一个具有 1 MHz 带宽的隔离霍尔效应电流传感器 [5]。

控制器概述

多电平图腾柱 PFC 的控制基本上与传统的 2 级配置相同，只是有一些细微的差别。图 4 展示了整体控制框图，其中包括外部电压控制环路、内部电流控制环路以及电网频率相位锁定环（PLL）。PLL 通过检测零电压过零点锁定到电网，并生成用于电压和电流控制环路的正弦参考。

外部电压控制环路确定设定点与运行点之间的误差，该误差被馈入补偿器以确定电流幅度参考。电压控制器还包括一个零阶保持（ZOH）功能，其主要目的是在后续电网周期中保持确定的电流设置为固定值，这确保了在电网周期内电流参考的零失真。然后将电流幅度设置与正弦参考相乘，以产生交流电流参考。

同样，电流控制环路确定 AC 电流参考值与输入到电流补偿器的测量电流之间的误差，以确定系统的占空比参考值。为了确保快速响应和相位误差，正弦参考值会根据测量到的电网电压进行缩放，并输入到前馈功能块中，以估算运行占空比。计算出的占空比与电流补偿器的输出相加，因此电流控制器现在只需确定设定点的小偏差即可。 

图 4. 多级 PFC 转换器的控制器框图。图片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems 

4 级转换器本身会自动平衡悬置电容器上的电压，因为 PFC 电感电流是连续的[6]，因此不需要添加主动悬置电容器电压平衡控制器。由于 PFC 控制器在整个周期内以固定参考值运行的固有特性，这也适用于负载瞬态。

Experimental Results  实验结果

如图 2 所示的实验单元经过测试，图 5 中显示了 AC 输入电压、电感电流、直流输出电压以及相对于中性点的开关节点波形，该转换器从 240 V AC_RMS 运行并提供 5.03 kW 到 400 VDC 负载。波形清楚地表明悬置电容器正在其各自的水平上运行，电感电流几乎跟随电网电压。实验系统使用可编程 AC 源供电，因此输入电压几乎完美地是正弦波。

图 5. 转换器在 V in = 240 V AC_RMS ，V out = 400 V DC ，P out = 5.03 kW 下运行的波形。图片来自 Bodo’s Power Systems 

由于 PFC 电感的低电感量，控制器需要在 PLL 中具有更高的精度，以确定电网电压的零交叉点。这对于确保在零交叉附近的电流尖峰以避免不必要的损耗是必要的。

图 6 显示了 PFC 转换器从 240 V AC_RMS 和 400 V DC 负载运行时的效率和电流总谐波失真(iTHD)结果。从 60%到 100%负载，效率超过 98%。同样，从 40%到 100%负载功率，iTHD 低于 5%。

图 6. V in = 240 V AC_RMS ，V out = 400 V DC 运行时的效率和 iTHD 结果。图片来自 Bodo’s Power Systems